Szupravezetők és kriovezetők

Szupravezetők és kriovezetők

27 ismert tiszta fém és több mint ezer különböző ötvözet és vegyület, amelyekben lehetséges a szupravezető állapotba való átmenet. Ide tartoznak a tiszta fémek, ötvözetek, intermetallikus vegyületek és egyes dielektromos anyagok.

Szupravezetők

Amikor a hőmérséklet csökken fémek fajlagos elektromos ellenállása csökken, és nagyon alacsony (kriogén) hőmérsékleten a fémek elektromos vezetőképessége megközelíti az abszolút nullát.

1911-ben, amikor egy megfagyott higanygyűrűt 4,2 K hőmérsékletre hűtött le, G. Kamerling-Onnes holland tudós megállapította, hogy a gyűrűk elektromos ellenállása hirtelen nagyon kicsiny, nem mérhető értékre esett vissza. Az elektromos ellenállás ilyen eltűnése, pl. a végtelen vezetőképesség megjelenését egy anyagban szupravezetésnek nevezzük.

Azokat az anyagokat, amelyek képesek szupravezető állapotba menni, ha kellően alacsony hőmérsékletre hűtötték, szupravezetőknek kezdték nevezni.Azt a kritikus hűtési hőmérsékletet, amelynél az anyag szupravezető állapotba megy át, szupravezető átmeneti hőmérsékletnek vagy kritikus átmeneti hőmérsékletnek Tcr nevezzük.

A szupravezető átmenet reverzibilis. Amikor a hőmérséklet Tc-re emelkedik, az anyag visszatér normál (nem vezető) állapotába.

A szupravezetők sajátossága, hogy egy szupravezető áramkörben indukálva az elektromos áram hosszú ideig (évekig) kering ezen az áramkörön anélkül, hogy annak erőssége érezhetően csökkenne, ráadásul kívülről további energiaellátás nélkül. Az állandó mágneshez hasonlóan egy ilyen áramkör a környező térben hoz létre mágneses mező.

1933-ban V. Meissner és R. Oxenfeld német fizikusok megállapították, hogy a szupravezetők a szupravezető állapotba való átmenet során ideális diamágnesekké válnak. Ezért a külső mágneses tér nem hatol át egy szupravezető testen. Ha az anyag szupravezető állapotba való átmenete mágneses térben történik, akkor a mező „kiszorul” a szupravezetőből.

Az ismert szupravezetők nagyon alacsony kritikus átmeneti hőmérséklettel rendelkeznek Tc. Ezért azoknak az eszközöknek, amelyekben szupravezetőket használnak, folyékony hélium hűtési körülmények között kell működniük (a hélium cseppfolyósítási hőmérséklete normál nyomáson körülbelül 4,2 DA SE). Ez bonyolítja és növeli a szupravezető anyagok gyártásának és üzemeltetésének költségeit.

A higany mellett a szupravezető képesség más tiszta fémekben (kémiai elemekben) és különféle ötvözetekben és kémiai vegyületekben is megtalálható. Azonban a legtöbb fémnél, például az ezüstnél és a réznél, a pillanatnyilag elért alacsony hőmérséklet szupravezetővé válik, ha az állapot nem sikerül.

A szupravezetés jelenségének felhasználási lehetőségeit a Tc szupravezető állapotába való átmenet hőmérsékletének és a mágneses tér kritikus erősségének értékei határozzák meg.

A szupravezető anyagok lágyra és keményre oszthatók. A lágy szupravezetők közé tartoznak a tiszta fémek, kivéve a nióbiumot, a vanádiumot és a tellúrt. A lágy szupravezetők fő hátránya a kritikus mágneses térerősség alacsony értéke.

Az elektrotechnikában a lágy szupravezetőket nem alkalmazzák, mert bennük a szupravezető állapot kis áramsűrűség mellett már gyenge mágneses térben is eltűnik.

A szilárd szupravezetők közé tartoznak a torz kristályrácsú ötvözetek. Még viszonylag nagy áramsűrűség és erős mágneses mező mellett is megtartják szupravezető képességüket.

A szilárd szupravezetők tulajdonságait a század közepén fedezték fel, és mindmáig kutatásuk és alkalmazásuk problémája a modern tudomány és technika egyik legfontosabb problémája.

A szilárd szupravezetőknek számos funkciójuk van:

• hűtéskor a szupravezető állapotba való átmenet nem történik hirtelen, mint a lágy szupravezetőknél és bizonyos hőmérsékleti intervallumon keresztül;

• néhány szilárd szupravezető nemcsak viszonylag magas Tc kritikus átmeneti hőmérséklettel rendelkezik, hanem viszonylag magas Vkr kritikus mágneses indukcióval is;

• a mágneses indukció változásaiban a szupravezető és a normál köztes állapotok figyelhetők meg;

• hajlamosak az energia disszipációjára, amikor váltakozó áramot vezetnek át rajtuk;

• a szupravezetés addiktív tulajdonságai a gyártás technológiai módszereiből, az anyag tisztasága és kristályszerkezetének tökéletessége.

A technológiai tulajdonságok szerint a szilárd szupravezetőket a következő típusokra osztják:

• viszonylag könnyen deformálható ebből huzal és szalagok [nióbium, nióbium-titán ötvözetek (Nb-Ti), vanádium-gallium (V-Ga)];

• a törékenység miatt nehezen deformálható, amelyből porkohászati ​​módszerekkel nyernek termékeket (intermetallikus anyagok, például nióbium-sztanid Nb3Sn).

Gyakran szupravezető huzalok, amelyeket rézből vagy más nagy vezetőképességű anyagból készült "stabilizáló" burkolattal borítanak elektromosság valamint a fém hője, ami lehetővé teszi, hogy elkerülhető legyen a szupravezető alapanyagának véletlenszerű hőmérséklet-emelkedéssel történő károsodása.

Egyes esetekben kompozit szupravezető huzalokat használnak, amelyekben nagyszámú vékony szupravezető anyagszálat tömör réz vagy más nem vezető anyag burkolatba zárnak.

A szupravezető fóliaanyagok különleges tulajdonságokkal rendelkeznek:

• A kritikus átmeneti hőmérséklet Tcr bizonyos esetekben jelentősen meghaladja a Tcr ömlesztett anyagokat;

• a szupravezetőn áthaladó korlátozó áramok nagy értékei;

• a szupravezető állapotba való átmenet kisebb hőmérsékleti tartománya.

Szupravezetőket használnak a következők készítésekor: kis tömegű és méretű, nagy hatásfokú tényezővel rendelkező elektromos gépek és transzformátorok; nagy kábelvonalak nagy távolságra történő energiaátvitelhez; különösen alacsony csillapítású hullámvezetők; tápellátást és memóriaeszközöket hajt meg; elektronmikroszkópok mágneses lencséi; induktív tekercsek nyomtatott vezetékekkel.

A filmre alapozva szupravezetők számos tárolóeszközt és automatizálási elemek és számítástechnika.

A szupravezetőkből származó elektromágneses tekercsek lehetővé teszik a mágneses térerősség maximális lehetséges értékeinek elérését.

Kriopróbák

Egyes fémek alacsony (kriogén) hőmérsékleten elérhetik a p fajlagos elektromos ellenállás nagyon kis értékét, ami száz- és ezerszer kisebb, mint a normál hőmérsékleten az elektromos ellenállás. Az ilyen tulajdonságokkal rendelkező anyagokat kriovezetőknek (hipervezetőknek) nevezzük.

Fizikailag a kriovezetőképesség jelensége nem hasonlít a szupravezetés jelenségéhez. A kriovezetők áramsűrűsége üzemi hőmérsékleten ezerszer nagyobb, mint a normál hőmérsékleten bennük lévő áramsűrűség, ami meghatározza azok alkalmazását olyan nagyáramú elektromos berendezésekben, amelyekre magas követelmények vonatkoznak a megbízhatóság és a robbanásbiztonság tekintetében.

Kriovezetők alkalmazása elektromos gépekben, kábelekben stb. jelentős előnye van a szupravezetőkkel szemben.

Ha folyékony héliumot használnak szupravezető eszközökben, akkor a kriovezetők működése biztosított a magasabb forráspont és az olcsó hűtőközegek – folyékony hidrogén vagy akár folyékony nitrogén – miatt. Ez leegyszerűsíti és csökkenti az eszköz gyártási és üzemeltetési költségeit. Figyelembe kell venni azonban azokat a műszaki nehézségeket, amelyek a folyékony hidrogén használatakor merülnek fel, amikor az összetevők bizonyos arányában robbanásveszélyes keveréket képeznek levegővel.

Krioprocesszorként rezet, alumíniumot, ezüstöt, aranyat használnak.

Forrás információ: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.