Υπεραγωγοί και κρυοαγωγοί

Υπεραγωγοί και κρυοαγωγοί

Γνωστά 27 καθαρά μέταλλα και περισσότερα από χίλια διαφορετικά κράματα και ενώσεις στα οποία είναι δυνατή η μετάβαση σε μια υπεραγώγιμη κατάσταση. Αυτά περιλαμβάνουν καθαρά μέταλλα, κράματα, διαμεταλλικές ενώσεις και ορισμένα διηλεκτρικά υλικά.

Υπεραγωγοί

Όταν πέσει η θερμοκρασία ειδική ηλεκτρική αντίσταση μετάλλων μειώνεται και σε πολύ χαμηλές (κρυογονικές) θερμοκρασίες, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των μετάλλων πλησιάζει το απόλυτο μηδέν.

Το 1911, όταν ψύχθηκε ένας δακτύλιος παγωμένου υδραργύρου σε θερμοκρασία 4,2 Κ, ο Ολλανδός επιστήμονας G. Kamerling-Onnes διαπίστωσε ότι η ηλεκτρική αντίσταση των δακτυλίων έπεσε ξαφνικά σε μια πολύ μικρή τιμή που δεν μπορούσε να μετρηθεί. Τέτοια εξαφάνιση της ηλεκτρικής αντίστασης, δηλ. η εμφάνιση άπειρης αγωγιμότητας σε ένα υλικό ονομάζεται υπεραγωγιμότητα.

Υλικά με την ικανότητα να περνούν σε υπεραγώγιμη κατάσταση όταν ψύχονται σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία άρχισαν να ονομάζονται υπεραγωγοί.Η κρίσιμη θερμοκρασία ψύξης στην οποία υπάρχει μια μετάβαση της ύλης σε μια υπεραγώγιμη κατάσταση ονομάζεται υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάπτωσης ή κρίσιμη θερμοκρασία μετάπτωσης Tcr.

Μια υπεραγώγιμη μετάβαση είναι αναστρέψιμη. Όταν η θερμοκρασία ανέβει στην Tc, το υλικό επιστρέφει στην κανονική (μη αγώγιμη) κατάσταση.

Χαρακτηριστικό των υπεραγωγών είναι ότι μόλις επαχθεί σε ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα, το ηλεκτρικό ρεύμα θα κυκλοφορεί για μεγάλο χρονικό διάστημα (χρόνια) κατά μήκος αυτού του κυκλώματος χωρίς αισθητή μείωση της ισχύος του και, επιπλέον, χωρίς πρόσθετη παροχή ενέργειας από το εξωτερικό. Όπως ένας μόνιμος μαγνήτης, ένα τέτοιο κύκλωμα δημιουργεί στον περιβάλλοντα χώρο μαγνητικό πεδίο.

Το 1933, οι Γερμανοί φυσικοί V. Meissner και R. Oxenfeld καθιέρωσαν ότι οι υπεραγωγοί κατά τη μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση γίνονται ιδανικοί διαμαγνήτες. Επομένως, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο δεν διαπερνά ένα υπεραγώγιμο σώμα. Εάν η μετάβαση του υλικού σε υπεραγώγιμη κατάσταση συμβεί σε μαγνητικό πεδίο, τότε το πεδίο «σπρώχνεται» έξω από τον υπεραγωγό.

Οι γνωστοί υπεραγωγοί έχουν πολύ χαμηλές κρίσιμες θερμοκρασίες μετάπτωσης Tc. Επομένως, οι συσκευές στις οποίες χρησιμοποιούν υπεραγωγούς πρέπει να λειτουργούν υπό συνθήκες ψύξης υγρού ηλίου (η θερμοκρασία υγροποίησης του ηλίου σε κανονική πίεση είναι περίπου 4,2 DA SE). Αυτό περιπλέκει και αυξάνει το κόστος κατασκευής και λειτουργίας υπεραγώγιμων υλικών.

Εκτός από τον υδράργυρο, η υπεραγωγιμότητα είναι εγγενής σε άλλα καθαρά μέταλλα (χημικά στοιχεία) και διάφορα κράματα και χημικές ενώσεις. Ωστόσο, στα περισσότερα μέταλλα όπως ο άργυρος και ο χαλκός, οι χαμηλές θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται αυτή τη στιγμή γίνονται υπεραγώγιμες εάν η συνθήκη αποτύχει.

Οι δυνατότητες χρήσης του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας καθορίζονται από τις τιμές της θερμοκρασίας της μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση του Tc και την κρίσιμη ισχύ του μαγνητικού πεδίου.

Υπεραγώγιμα υλικά χωρίζονται σε μαλακά και σκληρά. Οι μαλακοί υπεραγωγοί περιλαμβάνουν καθαρά μέταλλα, εκτός από το νιόβιο, το βανάδιο, το τελλούριο. Το κύριο μειονέκτημα των μαλακών υπεραγωγών είναι η χαμηλή τιμή της έντασης του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου.

Στην ηλεκτρική μηχανική, οι μαλακοί υπεραγωγοί δεν χρησιμοποιούνται, επειδή η υπεραγώγιμη κατάσταση σε αυτούς εξαφανίζεται ήδη σε ασθενή μαγνητικά πεδία σε χαμηλές πυκνότητες ρεύματος.

Οι στερεοί υπεραγωγοί περιλαμβάνουν κράματα με παραμορφωμένα κρυσταλλικά πλέγματα. Διατηρούν την υπεραγωγιμότητα ακόμη και σε σχετικά υψηλές πυκνότητες ρεύματος και ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Οι ιδιότητες των στερεών υπεραγωγών ανακαλύφθηκαν στα μέσα αυτού του αιώνα και μέχρι τώρα το πρόβλημα της έρευνας και εφαρμογής τους είναι ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της σύγχρονης επιστήμης και τεχνολογίας.

Οι στερεοί υπεραγωγοί έχουν μια σειρά από λειτουργίες:

• κατά την ψύξη, η μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση δεν συμβαίνει απότομα, όπως στους μαλακούς υπεραγωγούς και για ένα ορισμένο διάστημα θερμοκρασίας.

• ορισμένοι από τους στερεούς υπεραγωγούς δεν έχουν μόνο σχετικά υψηλές τιμές κρίσιμης θερμοκρασίας μετάβασης Tc, αλλά και σχετικά υψηλές τιμές κρίσιμης μαγνητικής επαγωγής Vkr.

• Σε αλλαγές στη μαγνητική επαγωγή, μπορούν να παρατηρηθούν ενδιάμεσες καταστάσεις μεταξύ υπεραγώγιμου και κανονικού.

• έχουν την τάση να διαχέουν ενέργεια όταν περνάει εναλλασσόμενο ρεύμα μέσα από αυτά.

• εθιστικές ιδιότητες υπεραγωγιμότητας από τεχνολογικές μεθόδους παραγωγής, καθαρότητα υλικού και τελειοποίηση της κρυσταλλικής δομής του.

Σύμφωνα με τις τεχνολογικές ιδιότητες, οι στερεοί υπεραγωγοί χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους:

• σχετικά εύκολα παραμορφώσιμο από τα οποία σύρμα και ταινίες [νιόβιο, κράματα νιοβίου-τιτανίου (Nb-Ti), βανάδιο-γάλλιο (V-Ga)].

• δύσκολα παραμορφώνεται λόγω ευθραυστότητας, από την οποία λαμβάνονται προϊόντα με μεθόδους μεταλλουργίας σκόνης (διαμεταλλικά υλικά όπως το στανίδιο του νιοβίου Nb3Sn).

Συχνά υπεραγώγιμα σύρματα καλύπτονται με ένα "σταθεροποιητικό" περίβλημα από χαλκό ή άλλο υλικό υψηλής αγωγιμότητας ηλεκτρική ενέργεια και τη θερμότητα του μετάλλου, που καθιστά δυνατή την αποφυγή καταστροφής του υλικού βάσης του υπεραγωγού με τυχαία αύξηση της θερμοκρασίας.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, χρησιμοποιούνται σύνθετα υπεραγώγιμα σύρματα, στα οποία ένας μεγάλος αριθμός λεπτών νημάτων υπεραγώγιμου υλικού περικλείεται σε ένα συμπαγές περίβλημα από χαλκό ή άλλο μη αγώγιμο υλικό.

Τα υπεραγώγιμα υλικά φιλμ έχουν ειδικές ιδιότητες:

• κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης Το Tcr σε ορισμένες περιπτώσεις υπερβαίνει σημαντικά τα χύδην υλικά Tcr.

• μεγάλες τιμές των περιοριστικών ρευμάτων που διέρχονται από τον υπεραγωγό.

• μικρότερο εύρος θερμοκρασίας της μετάβασης στην υπεραγώγιμη κατάσταση.

Οι υπεραγωγοί χρησιμοποιούνται κατά τη δημιουργία: ηλεκτρικές μηχανές και μετασχηματιστές με μικρή μάζα και διαστάσεις με υψηλό συντελεστή απόδοσης. μεγάλες καλωδιακές γραμμές για μετάδοση ισχύος σε μεγάλες αποστάσεις. ειδικά κυματοδηγοί χαμηλής εξασθένησης. οδηγεί συσκευές ισχύος και μνήμης. μαγνητικοί φακοί ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. πηνία επαγωγής με τυπωμένη καλωδίωση.

Βασισμένοι σε φιλμ, οι υπεραγωγοί δημιούργησαν μια σειρά από συσκευές αποθήκευσης και στοιχεία αυτοματισμού και τεχνολογία υπολογιστών.

Τα ηλεκτρομαγνητικά πηνία από υπεραγωγούς καθιστούν δυνατή την απόκτηση των μέγιστων δυνατών τιμών της έντασης του μαγνητικού πεδίου.

Κρυοανιχνευτές

Ορισμένα μέταλλα μπορούν να φτάσουν σε χαμηλές (κρυογονικές) θερμοκρασίες μια πολύ μικρή τιμή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης p, η οποία είναι εκατοντάδες και χιλιάδες φορές μικρότερη από την ηλεκτρική αντίσταση σε κανονική θερμοκρασία. Τα υλικά με αυτές τις ιδιότητες ονομάζονται κρυοαγωγοί (υπεραγωγοί).

Φυσικά, το φαινόμενο της κρυοαγωγιμότητας δεν μοιάζει με το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας. Η πυκνότητα ρεύματος στους κρυοαγωγούς σε θερμοκρασίες λειτουργίας είναι χιλιάδες φορές υψηλότερη από την πυκνότητα ρεύματος σε αυτούς σε κανονική θερμοκρασία, γεγονός που καθορίζει τη χρήση τους σε ηλεκτρικές συσκευές υψηλού ρεύματος που υπόκεινται σε υψηλές απαιτήσεις αξιοπιστίας και ασφάλειας από έκρηξη.

Εφαρμογή κρυοαγωγών σε ηλεκτρικές μηχανές, καλώδια κ.λπ. έχει σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των υπεραγωγών.

Εάν χρησιμοποιείται υγρό ήλιο σε υπεραγώγιμες συσκευές, η λειτουργία των κρυοαγωγών εξασφαλίζεται λόγω του υψηλότερου σημείου βρασμού και των φθηνών ψυκτικών υγρών - υγρού υδρογόνου ή ακόμα και υγρού αζώτου. Αυτό απλοποιεί και μειώνει το κόστος κατασκευής και λειτουργίας της συσκευής. Ωστόσο, είναι απαραίτητο να ληφθούν υπόψη οι τεχνικές δυσκολίες που προκύπτουν όταν χρησιμοποιείται υγρό υδρογόνο, σχηματίζοντας, σε μια ορισμένη αναλογία συστατικών, ένα εκρηκτικό μείγμα με τον αέρα.

Ως κρυοεπεξεργαστές χρησιμοποιούν χαλκό, αλουμίνιο, ασήμι, χρυσό.

Πληροφορίες πηγής: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.