Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)

В начале 1987 г. появились сообщения о разработке керамического материала со структурой YВa₂Cu₃O₇, в котором сверхпроводящее состояние наступает при 93К в поле с Вкр=5,7Тл. Такие материалы имеют структуру типа перовскита (минерала СаТiO₃). Плотность тока в системах Y—Ba—Сu—О получена в настоящее время до 10⁴ А/см², что меньше, чем в металлических сверхпроводниках. Перспективными являются висмутовые системы Bi₂Sr₂Ca₂Cu₂Oх температура перехода которых достигает —158°С. В популярных изданиях имеются сведения о получении ВТСП с критической температурой 250 К. Лучшие сверхпроводящие свойства получаются в пленочных образцах, пропускающих ток 10 А/см².

Свойства ВТСП во многом зависят от технологии. Наиболее простой способ состоит в размоле металлических оксидов, прессовании смеси и отжиге в атмосфере кислорода при температуре 900°С. Новое вещество образуется в результате химической реакции. Для устранения межгранулярных прослоек и получения более упорядоченной ориентации кристаллов полученное соединение подвергают плавке с последующим охлаждением. Исследуются и другие методы получения ВТСП. Для широкого применения ВТСП требуется преодолеть ряд трудностей, к которым можно отнести необходимость получения больших плотностей тока, гибкости, прочности, способности выдерживать большие магнитные и центробежные нагрузки, легкость обработки, стабильность свойств и др.;

Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены в статье “Новые сверхпроводники: перспективы применения” Алана М. Вольски и др. в журнале «Scientific аmerican», апрель 4, 1989 г, наиболее интересные из которых приведены ниже.

Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2 Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400 А/см². Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000 А/см². Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К).

Генераторы и линии электропередачи. Сверхпроводящие магниты могут повысить кпд генераторов большой мощности до 99,5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98,6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередачи могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.

Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%. Поезда на магнитной подушке — наиболее перспективное применение сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500 км обойдётся в 1,5- 4,5 млрд. долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.

Сверхнизкие температуры до 10" К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитокалорического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ. Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10^-13 с для Ткр=10К и 10^-14 для материала с Ткр=100К. СКВИД- сверхпроводящий квантовый интерференционный детектор. С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10 В, токи 10^-18 А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10^-14Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10¹² Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 10¹⁰ Гц. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.

Криопроводники

Это материалы, чьё удельное сопротивление достигает малых значений при криогенных температурах (ниже —173°С). Сверхпроводящее состояние в этих материалах не наблюдается. Наиболее широко в качестве криопроводников применяются чистая медь и алюминий (марки А 999 с 0,001% примесей), бериллий (0,1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А 999 удельное электрическое сопротивление равно (l—2)·10^-6мкОм·м.

Применяются криопроводники в основном для изготовления жил кабелей, проводов, работающих при температурах жидкого водорода (—252,6°С), неона (—245,7°С) и азота (—195,6°С).

Контрольные вопросы по теме:

«Проводниковые материалы».

4. Для изготовления электронагревательных элементов используют:

а) медь, алюминий

б) нихром, фехраль (+)

в) бронзу, латунь

5. ТКρ характеризует:

а)относительное изменение удельного электрического сопротивления проводника при изменении температуры на 1 градус (+)

б) изменение удельного сопротивления проводника при изменении температуры на 1 градус

6. Как влияют примеси и дефекты кристаллической структуры на электропроводность металлических проводников:

а) уменьшают

б) увеличивают (+)

в) это зависит от рода примесей и дефектов кристаллической структуры

7. Удельное электрическое сопротивление металлов в широком диапазоне Т с ростом температуры:

а) увеличивается (+)

б) уменьшается

в) имеет сложную зависимость

8. Какой материал Вы выбрали бы для изготовления датчиков температуры:

а) с большим значением ТКρ (+)

б) только с ТКρ>0

в) с минимальным значением ТКρ

9. Причины замены меди алюминием носят:

а) экономический характер (+)

б) связаны с лучшими механическими свойствами алюминия

в) объясняют малой его плотностью

10. В линиях электропередач главным образом используются

а) медные провода

б) стальалюминиевые провода (+)

в) стальные провода

11. Сверхпроводимостью называется явление резкого уменьшения удельного электрического сопротивления некоторых материалов до нуля

а) только при температуре Т=0К

б) при некоторых критических температурах (+)

в) при Т»0 и одновременном воздействии на сверхпроводник магнитного поля с В(кр.)

12. Основными параметрами сверхпроводника являются:

а) температурный коэффициент удельного электрического сопротивления и хладостойкость

б) термо э.д.с. и разность температур между спаями

в) критическая температура и критическая индукция магнитного поля (+)

13. Зависит ли значения ТКρ и Вкр от структуры сверхпроводника, концентрации дефектов в нем:

а) нет, они зависят только от природы материала

б) да, зависит (+)

в) нет, не зависит

14. Какой из материалов относится к материалам высокой проводимости:

а) уголь

б) константан

в) бронза (+)

15. Какую температуру называют криогенной:

а) сверхнизкую (+)

б) очень высокую

в) температуру плавления

16. Где применяются сплавы на основе железа:

а) в линях электровоздушных передач

б) для изготовления электронагревательных элементов (+)

в) для изготовления токопроводящих жил кабелей

17. Когда возникает термо-э.д.с.:

а) при пайке

б) при обработке металлов путем обжига

в) при наличии разности температур между спаями двух различных металлических проводников (+)

18. Для покрытия стенок волноводов и резонаторов СВЧ диапазона используют

а) сплавы высокого сопротивления (нихром)

б) диэлектрические материалы с высоким значением удельного сопротивления

в) материалы высокой проводимости (золото, серебро) (+)

19. При температуре близкой к абсолютному нулю сопротивление металлических проводников (за исключением сверхпроводников)

а) стремится к нулю

б) возрастает

в) равно остаточному сопротивлению (+)

20. Добавление меди в никель:

а) увеличивает удельное сопротивление никеля (+)

б) уменьшает удельное сопротивление никеля

в) это зависит от процентного содержания меди

21. Остаточное сопротивление - это сопротивление:

а) которым обладает материал после снятия электрического напряжения

б) при температуре близкой к абсолютному нулю (+)

Задачи и упражнения к разделу