Superledere og kryoledere

Superledere og kryoledere

Kjente 27 rene metaller og mer enn tusen forskjellige legeringer og forbindelser hvor en overgang til en superledende tilstand er mulig. Disse inkluderer rene metaller, legeringer, intermetalliske forbindelser og noen dielektriske materialer.

Superledere

Når temperaturen synker spesifikk elektrisk motstand av metaller avtar og ved svært lave (kryogene) temperaturer nærmer den elektriske ledningsevnen til metaller seg absolutt null.

I 1911, da den nedkjølte en ring av frossent kvikksølv til en temperatur på 4,2 K, fant den nederlandske forskeren G. Kamerling-Onnes at den elektriske motstanden til ringene plutselig falt til en veldig liten verdi som ikke kunne måles. Slik forsvinning av elektrisk motstand, dvs. utseendet til uendelig ledningsevne i et materiale kalles superledning.

Materialer med evnen til å gå over i en superledende tilstand når de avkjøles til et tilstrekkelig lavt temperaturnivå begynte å bli kalt superledere.Den kritiske kjøletemperaturen der det er en overgang av materie til en superledende tilstand kalles den superledende overgangstemperaturen eller kritisk overgangstemperatur Tcr.

En superledende overgang er reversibel. Når temperaturen stiger til Tc, går materialet tilbake til sin normale (ikke-ledende) tilstand.

Et kjennetegn ved superledere er at når den først er indusert i en superledende krets, vil den elektriske strømmen sirkulere i lang tid (år) langs denne kretsen uten nevneverdig reduksjon i styrken og dessuten uten ekstra tilførsel av energi fra utsiden. Som en permanent magnet skaper en slik krets i det omkringliggende rommet magnetfelt.

I 1933 slo de tyske fysikerne V. Meissner og R. Oxenfeld fast at superledere under overgangen til superledende tilstand blir ideelle diamagneter. Derfor trenger ikke det eksterne magnetfeltet gjennom et superledende legeme. Hvis overgangen av materialet til en superledende tilstand skjer i et magnetfelt, så "skyves" feltet ut av superlederen.

Kjente superledere har svært lave kritiske overgangstemperaturer Tc. Derfor må enheter der de bruker superledere operere under flytende helium-kjøleforhold (flytendetemperaturen til helium ved normalt trykk er omtrent 4,2 DA SE). Dette kompliserer og øker kostnadene ved produksjon og drift av superledende materialer.

Foruten kvikksølv er superledning iboende i andre rene metaller (kjemiske elementer) og ulike legeringer og kjemiske forbindelser. Men på de fleste metaller som sølv og kobber blir de lave temperaturene som nås for øyeblikket superledende hvis tilstanden svikter.

Mulighetene for å bruke fenomenet superledning bestemmes av verdiene for temperaturen på overgangen til den superledende tilstanden Tc og den kritiske styrken til magnetfeltet.

Superledende materialer delt inn i mykt og hardt. Myke superledere inkluderer rene metaller, bortsett fra niob, vanadium, tellur. Den største ulempen med myke superledere er den lave verdien av den kritiske magnetiske feltstyrken.

I elektroteknikk brukes ikke myke superledere, fordi den superledende tilstanden i dem forsvinner allerede i svake magnetiske felt ved lave strømtettheter.

Solide superledere inkluderer legeringer med forvrengte krystallgitter. De beholder superledning selv ved relativt høye strømtettheter og sterke magnetiske felt.

Egenskapene til solide superledere ble oppdaget i midten av dette århundret, og til nå er problemet med deres forskning og anvendelse et av de viktigste problemene innen moderne vitenskap og teknologi.

Solide superledere har en rekke funksjoner:

• ved avkjøling skjer ikke overgangen til superledende tilstand brått, som i myke superledere og for et visst temperaturintervall;

• noen av solide superledere har ikke bare relativt høye verdier kritisk overgangstemperatur Tc, men også relativt høye verdier kritisk magnetisk induksjon Vkr;

• i endringer i magnetisk induksjon kan mellomtilstander mellom superledende og normal observeres;

• har en tendens til å spre energi når du sender vekselstrøm gjennom dem;

• vanedannende egenskaper av superledning fra teknologiske metoder for produksjon, materialrenhet og perfeksjon av dens krystallstruktur.

I henhold til teknologiske egenskaper er solide superledere delt inn i følgende typer:

• relativt lett deformerbare av hvilke tråd og strimler [niob, niob-titanium-legeringer (Nb-Ti), vanadium-gallium (V-Ga)];

• vanskelig å deformere på grunn av skjørhet, hvorfra produkter er oppnådd ved pulvermetallurgiske metoder (intermetalliske materialer som niobstanid Nb3Sn).

Ofte superledende ledninger dekket med en "stabiliserende" kappe laget av kobber eller annet sterkt ledende materiale elektrisitet og varmen fra metallet, som gjør det mulig å unngå å skade basismaterialet til superlederen med en utilsiktet økning i temperaturen.

I noen tilfeller brukes sammensatte superledende ledninger, hvor et stort antall tynne filamenter av superledende materiale er innelukket i en solid kappe av kobber eller annet ikke-ledende materiale.

Superledende filmmaterialer har spesielle egenskaper:

• kritisk overgangstemperatur Tcr overstiger i noen tilfeller betydelig Tcr bulkmaterialer;

• store verdier av de begrensende strømmene som går gjennom superlederen;

• mindre temperaturområde for overgangen til superledende tilstand.

Superledere brukes når du lager: elektriske maskiner og transformatorer med liten masse og dimensjoner med høy effektivitetsfaktor; store kabellinjer for kraftoverføring over lange avstander; spesielt lavdempende bølgeledere; driver strøm og minneenheter; magnetiske linser av elektronmikroskoper; induktansspoler med trykte ledninger.

Basert på film superledere laget en rekke lagringsenheter og automatiseringselementer og datateknologi.

Elektromagnetiske spoler fra superledere gjør det mulig å oppnå maksimalt mulig verdier for magnetisk feltstyrke.

Kryoprober

Noen metaller kan ved lave (kryogene) temperaturer nå en svært liten verdi av den spesifikke elektriske motstanden p, som er hundrevis og tusenvis av ganger mindre enn den elektriske motstanden ved normal temperatur. Materialer med disse egenskapene kalles kryoledere (hyperledere).

Fysisk er fenomenet kryoledning ikke likt fenomenet superledning. Strømtettheten i kryoledere ved driftstemperaturer er tusenvis av ganger høyere enn strømtettheten i dem ved normal temperatur, noe som bestemmer deres bruk i høystrøms elektriske enheter som er underlagt høye krav til pålitelighet og eksplosjonssikkerhet.

Anvendelse av kryoledere i elektriske maskiner, kabler, etc. har en betydelig fordel i forhold til superledere.

Hvis flytende helium brukes i superledende enheter, er driften av kryoledere sikret på grunn av det høyere kokepunktet og billige kjølemidler - flytende hydrogen eller til og med flytende nitrogen. Dette forenkler og reduserer kostnadene ved produksjon og drift av enheten. Imidlertid er det nødvendig å vurdere tekniske vanskeligheter som oppstår ved bruk av flytende hydrogen, og danner, ved et visst forhold mellom komponenter, en eksplosiv blanding med luft.

Som kryoprosessorer bruker kobber, aluminium, sølv, gull.

Kildeinformasjon: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.