Сверхпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных спла­вов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметал­лические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротив­ление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) тем­пературах скачком приближается к абсолют­ному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до тем­пературы 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнару­жил, что электрическое сопротивление ρ кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т. е. появление беско­нечной удельной проводимости у материала, было названо сверх­проводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводящее состояние при их охлаждении до достаточно низ­кой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход веще­ства в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой перехода Т_кр. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. При повышении температуры материал возвращается в нормаль­ное состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток бу­дет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без за­метного уменьшения своей силы и притом без всякого дополни­тельного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнару­жили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнентиками. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рисунок 2.3).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Т_кр . Поэтому устройства, в которых исполь­зуются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном дав­лении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым ме­таллам (химическим элементам) и различным сплавам и химичес­ким соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, пере­вести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости опре­деляются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Т_кри критической напряженности магнитного поля H_кр.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исклю­чением ниобия, ванадия, теллура.

Основным недостатком мягких сверхпроводников является низ­кое значение критической напряженности магнитного поля Н_кр .

В радиотехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плот­ностях тока.

К твердым сверхпроводникам отно­сят сплавы с искаженными кристалличес­кими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных маг­нитных полях. Свойства твердых сверх­проводников были открыты в середине прошлого столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и приме­нения является одной из важнейших проблем науки и техники.

Рисунок 2.3 – Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

- при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние проис­ходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

- некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только срав­нительно высокие значения критической температуры перехода Т_кр, но и относительно высокие значения критической магнитной ин­дукции В_кр;

- при изменении магнитной индукции могут наблюдаться проме­жуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

- имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

- зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кри­сталлической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготав­ливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb–Ti), ванадий-галлий (V–Ga)];

трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметал­лические материалы типа станнида ниобия Nb₃Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизиру­ющей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего элек­трический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случай­ном повышении температуры. В ряде случаев применяют компо­зитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную обо­лочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свой­ства:

- критическая температура перехода Т_крв ряде случаев значитель­но превышает Т_кробъемных материалов;

- большие значения предельных токов, пропускаемых через сверх­проводник I_кр;

- меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании: электрических ма­шин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэф­фициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энер­гии большой мощности на большие расстояния; волноводов с осо­бо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивнос­ти с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в таблице 2.8.

Таблица 2.8 – Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов

Криопроводники

Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удель­ное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками (гиперпроводниками). Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной тем­пературе, что определяет их использование в сильноточных элект­ротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие тре­бования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверх­проводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопровод­ников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам – жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упро­щает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Одна­ко необходимо учитывать технические трудности, которые возника­ют при использовании жидкого водорода, образующего при опреде­ленном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, се­ребро, золото.