Сверхпроводники и криопроводники

Сверхпроводники и криопроводники

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, неза­долго перед тем (в 1908 г.) в первый раз получивший водянистый гелий (ге­лий был последним газом, который до того еще не удавалось пере­вести в жидкое состояние), изучил электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при обычном давлении около 4,2 К Сверхпроводники и криопроводники; еще больше низкие температуры могут быть получены при испарении водянистого гелия). При всем этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он нашел, что при охлаждении до температуры, приблизительно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до очень малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое Сверхпроводники и криопроводники явление, т. е. наличие у вещества фактически нескончаемой удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература Тс, при охлаждении до которой вещество перебегает в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Сверхпроводники и криопроводники Тс сверхпроводимость наруша­ется и вещество перебегает в обычное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

Рис. 4-1. Вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

В текущее время понятно уже 35 сверхпроводниковых металлов и поболее тыщи сверхпроводниковых сплавов и хим соеди­нений разных частей. В то же время многие вещества, в том числе Сверхпроводники и криопроводники и такие, владеющие очень малыми значениями r при нормаль­ной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при более низких достигнутых в текущее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электронный ток, в один прекрасный момент наведенный в Сверхпроводники и криопроводники сверх проводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без приметного уменьшения собственной силы, и притом без всякого подвода энергии снаружи (естественно, если не учесть неминуемого расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, харак­терного для данного сверхпроводникового материала Сверхпроводники и криопроводники); таковой сверхпроводящий контур делает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно неизменному магниту. Потому обтекаемый электри­ческим током сверх проводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Но начальные пробы сделать практи­чески применимый сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле Сверхпроводники и криопроводники с довольно высочайшими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только лишь при повышении температуры до значений, превосходящих Тс, да и при появлении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превосходящей индукцию перехода В0 (в первом приближении, по последней мере для незапятнанных сверхпроводниковых Сверхпроводники и криопроводники металлов, индифферентно, создается ли индукция Вс током, идущим по самому сверхпроводнику, либо же посторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис. 4-1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс. Большая вероятная температура перехода Тс Сверхпроводники и криопроводники (критичная температура) данного сверхпровод­никового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита — при очень малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее вероятное значение Вс0 магнитной индукции перехода (критичная магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Сверхпроводники и криопроводники Кельвина.

Рис. 4-2. Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb3Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)

В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпровод­ники, представляющие из себя уже не незапятнанные металлы, а сплавы либо хим соединения. Эти сверхпроводники в отличие от незапятнанных сверх Сверхпроводники и криопроводники проводниковых металлов (сверхпроводников I рода), нареченные сверхпроводниками II рода, владеют рядом особенностей. Переход из обычного в сверх проводящее состояние при охлаждении у их происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а равномерно; у их существует промежуточное состояние меж нижним ВС1 и верхним BС2 значениями критичной магнитной индукции перехода Сверхпроводники и криопроводники для значений температур Т< TС0. В промежном состоянии сверхпроводимость при неизменном на­пряжении сохраняется, т. е. r = 0, но относительная маг­нитная проницаемость сверхпроводника mr> 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются не­которые энергопотери и т. п. Не считая того, характеристики сверхпровод­ников II рода в большой степени зависят от технологического режима производства и т. п. Из незапятнанных металлов к сверхпроводникам II рода относятся только ниобий Nb, ванадий V и технеций Сверхпроводники и криопроводники Тс.

На рис. 4-2 представлена диаграмма со­стояния обычного сверхпроводника II ро­да — интерметаллического соединения, стан-нида ниобия Nb3Sn. Кривая 1 дает значения BС01, кривая 2—значения ВC02; заштрихована область промежного состояния. Для со­поставления тут же приведена диаграмма состояния для обычного сверхпроводника I рода—свинца Рb.

Криопроводники Сверхпроводники и криопроводники. Кроме явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все обширнее употребляется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами очень малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, владеющие таким свойством, именуются криопроводниками.

Разумеется, что физическая суть криопроводимости не сходна с физической сутью явления сверхпроводимости. Криопроводимость Сверхпроводники и криопроводники — личный случай обычной электропроводности металлов в критериях криогенных температур.

Очень маленькое, но все таки конечное значение r криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в их, хотя эта плотность может быть все таки еще выше, чем в обыденных железных проводниках при обычной либо завышенной температуре. Криопроводники, у каких при изменении температуры в Сверхпроводники и криопроводники широком спектре р изменяется плавненько, без скачков, не могут употребляться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте появления и нарушения сверхпроводимости (к примеру, в сверх­проводниковых запоминающих устройствах).

Применение криопроводников заместо сверхпроводников в элек­трических машинах, аппаратах и других электротехнических устрой­ствах может иметь свои достоинства. Внедрение в качестве Сверхпроводники и криопроводники хладагента водянистого водорода либо водянистого азота (заместо водянистого гелия, который существенно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выпол­нение термический изоляции ус­тройства и уменьшает расход мощности на остывание. Не считая того, в сверхпроводящем кон­туре с огромным током нака­пливается огромное количество энергии магнитного поля, рав­ное Сверхпроводники и криопроводники LI2/2 Дж (L —индуктив­ность, Гн; I —ток, А). При случайном повышении температуры либо магнитной индукции выше значений, соответственных переходу сверхпроводника в обычное состояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверх­проводимость будет нарушена, что приведет к неожиданному освобож­дению огромного количества энергии. Для криопроводящей цепи таковой угрозы Сверхпроводники и криопроводники нет, потому что увеличение температуры может повлечь за собой только постепенное, плавное повышение сопротивления. Больший энтузиазм для внедрения в качестве криопроводникового материала представляют собой: при темпера­туре водянистого водорода — алюминий, а при температуре водянистого азота —бериллий.

Таким макаром, неувязка выбора рационального (т. е. имеющего при рабочей температуре меньшее Сверхпроводники и криопроводники удельное сопротивление при лучших других технико-экономических показателях) криопровод­никового материала сводится в главном к последующему: применить просто доступный и дешевенький алюминий и получить меньшее вероятное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на внедрение для остывания устройства водянистого водорода, что все таки просит преодоления неких затруднений и, а именно, необходимости Сверхпроводники и криопроводники учета взрывоопасности водородо-воздушной консистенции; либо же использовать более дорогой, дефицитный, непростой в технологическом отношении бериллий, но зато исполь­зовать в качестве хладагента более дешевенький и просто доступный водянистый азот и тем уменьшить издержки мощности на остывание.

Во всех случаях для получения высококаче­ственных криопроводннков требуются исключи­тельно высочайшая Сверхпроводники и криопроводники чистота металла (отсутствие при­месей) и отсутствие на­клепа (отожженное со­стояние). Вредное воздействие примесей и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных темпера­турах выражено значи­тельно более очень, чем при обычной температуре.


ЛИТЕРАТУРА

1. Боородицкий Н. П. Электротехнические материалы.- Л.: Энергоатомиздат, 1985

2. Проводниковые материалы / Под ред. Л. Ш Сверхпроводники и криопроводники. Казарновского. –М.: Энергия, 1970

3. Методические разработки к курсам “Конструкционные Материалы” и “Материаловедение” / Под ред. А. А. Клыпина. –М.: Издательство МАИ, 1993

4. Учебное пособие к лабораторным работам по металловедению. /Под ред. О. Х. Фаткуллина.- М.: Издательство МАИ


sverhprovodniki-i-krioprovodniki.html
sverhshirokopolosnaya-sistema-svyazi-s-kodovoj-nesushej.html
sverhtverdij-nanoalmaznij-kompozit-instrumentalnogo-naznacheniya-referat.html