Superprevodniki in krioprevodniki
Superprevodniki in krioprevodniki
Znanih je 27 čistih kovin in več kot tisoč različnih zlitin in spojin, v katerih je možen prehod v superprevodno stanje. Sem spadajo čiste kovine, zlitine, intermetalne spojine in nekateri dielektrični materiali.
Superprevodniki
Ko temperatura pade specifična električna upornost kovin se zmanjša in pri zelo nizkih (kriogenih) temperaturah se električna prevodnost kovin približa absolutni ničli.
Leta 1911 je nizozemski znanstvenik G. Kamerling-Onnes pri ohlajanju obroča zamrznjenega živega srebra na temperaturo 4,2 K ugotovil, da je električni upor obročev nenadoma padel na zelo majhno vrednost, ki je ni bilo mogoče izmeriti. Takšno izginotje električnega upora, tj. pojav neskončne prevodnosti v materialu imenujemo superprevodnost.
Materiale s sposobnostjo prehoda v superprevodno stanje, ko so ohlajeni na dovolj nizko temperaturo, so začeli imenovati superprevodniki.Kritično temperaturo ohlajanja, pri kateri pride do prehoda snovi v superprevodno stanje, imenujemo temperatura superprevodnega prehoda ali kritična temperatura prehoda Tcr.
Superprevodni prehod je reverzibilen. Ko se temperatura dvigne na Tc, se material vrne v normalno (neprevodno) stanje.
Značilnost superprevodnikov je, da električni tok, ko je enkrat induciran v superprevodnem tokokrogu, kroži dolgo časa (leta) po tem tokokrogu, ne da bi se njegova jakost občutno zmanjšala, poleg tega pa brez dodatnega dovajanja energije od zunaj. Tako kot trajni magnet tako vezje ustvarja v okoliškem prostoru magnetno polje.
Leta 1933 sta nemška fizika V. Meissner in R. Oxenfeld ugotovila, da postanejo superprevodniki med prehodom v superprevodno stanje idealni diamagneti. Zato zunanje magnetno polje ne prodre skozi superprevodno telo. Če pride do prehoda materiala v superprevodno stanje v magnetnem polju, potem je polje "potisnjeno" iz superprevodnika.
Znani superprevodniki imajo zelo nizke kritične prehodne temperature Tc. Zato morajo naprave, v katerih uporabljajo superprevodnike, delovati v pogojih hlajenja s tekočim helijem (temperatura utekočinjenja helija pri normalnem tlaku je približno 4,2 DA SE). To zaplete in poveča stroške proizvodnje in delovanja superprevodnih materialov.
Poleg živega srebra je superprevodnost značilna tudi za druge čiste kovine (kemične elemente) ter različne zlitine in kemične spojine. Vendar pri večini kovin, kot sta srebro in baker, nizke temperature, ki so trenutno dosežene, postanejo superprevodne, če pogoj ne uspe.
Možnosti uporabe pojava superprevodnosti so določene z vrednostmi temperature prehoda v superprevodno stanje Tc in kritično jakostjo magnetnega polja.
Superprevodne materiale delimo na mehke in trde. Mehki superprevodniki vključujejo čiste kovine, razen niobija, vanadija, telura. Glavna pomanjkljivost mehkih superprevodnikov je nizka vrednost kritične jakosti magnetnega polja.
V elektrotehniki se mehki superprevodniki ne uporabljajo, ker superprevodno stanje v njih izgine že v šibkih magnetnih poljih pri majhnih gostotah toka.
Trdni superprevodniki vključujejo zlitine s popačeno kristalno mrežo. Ohranjajo superprevodnost tudi pri razmeroma visokih gostotah toka in močnih magnetnih poljih.
Lastnosti trdnih superprevodnikov so odkrili sredi tega stoletja, do danes pa je problem njihovega raziskovanja in uporabe eden najpomembnejših problemov sodobne znanosti in tehnologije.
Trdni superprevodniki imajo številne funkcije:
-
pri ohlajanju se prehod v superprevodno stanje ne pojavi nenadoma, kot pri mehkih superprevodnikih in za določen temperaturni interval;
-
nekateri trdni superprevodniki imajo ne le relativno visoke vrednosti kritične prehodne temperature Tc, ampak tudi relativno visoke vrednosti kritične magnetne indukcije Vkr;
-
pri spremembah magnetne indukcije lahko opazimo vmesna stanja med superprevodnim in normalnim;
-
imajo nagnjenost k razpršitvi energije pri prehajanju izmeničnega toka skozi njih;
-
odvisnosti superprevodnosti od tehnoloških metod proizvodnje, čistosti materiala in popolnosti njegove kristalne strukture.
Glede na tehnološke lastnosti delimo trdne superprevodnike na naslednje vrste:
-
razmeroma lahko deformabilna žica in trakovi [niobij, niobij-titanove zlitine (Nb-Ti), vanadij-galij (V-Ga)];
-
zaradi krhkosti se težko deformirajo, iz katerih se izdelki pridobivajo z metodami prašne metalurgije (intermetalni materiali, kot je niobijev stanid Nb3Sn).
Pogosto superprevodne žice, prekrite s "stabilizacijskim" plaščem iz bakra ali drugega visoko prevodnega materiala elektrika in toploto kovine, zaradi česar je mogoče preprečiti poškodbe osnovnega materiala superprevodnika z nenamernim zvišanjem temperature.
V nekaterih primerih se uporabljajo kompozitne superprevodne žice, v katerih je veliko število tankih filamentov superprevodnega materiala zaprtih v trden ovoj iz bakra ali drugega neprevodnega materiala.
Superprevodni filmski materiali imajo posebne lastnosti:
-
kritična prehodna temperatura Tcr v nekaterih primerih znatno presega Tcr razsutih materialov;
-
velike vrednosti mejnih tokov, ki potekajo skozi superprevodnik;
-
manjše temperaturno območje prehoda v superprevodno stanje.
Superprevodniki se uporabljajo pri izdelavi: električnih strojev in transformatorjev z majhno maso in dimenzijami z visokim faktorjem učinkovitosti; veliki kabelski vodi za prenos električne energije na velike razdalje; zlasti valovodov z nizkim dušenjem; poganja napajalne in pomnilniške naprave; magnetne leče elektronskih mikroskopov; induktivne tuljave s tiskanim ožičenjem.
Na podlagi filmskih superprevodnikov so ustvarili številne pomnilniške naprave in elementi avtomatizacije in računalniško tehnologijo.
Elektromagnetne tuljave iz superprevodnikov omogočajo pridobitev največjih možnih vrednosti jakosti magnetnega polja.
Kriosonde
Nekatere kovine lahko pri nizkih (kriogenih) temperaturah dosežejo zelo majhno vrednost specifičnega električnega upora p, ki je sto in tisočkrat manjša od električnega upora pri normalni temperaturi. Materiali s temi lastnostmi se imenujejo krioprevodniki (hiperprevodniki).
Fizikalno pojav krioprevodnosti ni podoben pojavu superprevodnosti. Gostota toka v krioprevodnikih pri delovnih temperaturah je tisočkrat večja od gostote toka v njih pri normalni temperaturi, kar določa njihovo uporabo v visokotokovnih električnih napravah, za katere veljajo visoke zahteve glede zanesljivosti in eksplozijske varnosti.
Uporaba krioprevodnikov v električnih strojih, kablih itd. ima pomembno prednost pred superprevodniki.
Če se v superprevodnih napravah uporablja tekoči helij, je delovanje krioprevodnikov zagotovljeno zaradi višjega vrelišča in poceni hladilnih sredstev - tekočega vodika ali celo tekočega dušika. To poenostavi in zniža stroške izdelave in delovanja naprave. Vendar je treba upoštevati tehnične težave, ki nastanejo pri uporabi tekočega vodika, ki pri določenem razmerju komponent tvori eksplozivno zmes z zrakom.
Kot krioprocesorji uporabljajo baker, aluminij, srebro, zlato.
Vir informacij: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.