Свръхпроводници и криопроводници

Известни 27 чисти метала и повече от хиляда различни сплави и съединения, при които е възможен преход в свръхпроводящо състояние. Те включват чисти метали, сплави, интерметални съединения и някои диелектрични материали.

С намаляването на температурата електрическото съпротивление на металите намалява и при много ниски (криогенни) температури електропроводимостта на металите се приближава до абсолютната нула.

През 1911 г., докато охлажда пръстен от замръзнал живак до температура 4,2 К, холандският учен Г. Камерлинг-Онс открива, че електрическото съпротивление на пръстена изведнъж спада до много малка стойност, която не може да бъде измерена. Такова изчезване на електрическо съпротивление, т.е. появата на безкрайна специфична проводимост в даден материал, се нарича свръхпроводимост.

Материалите, които имат способността да преминават в свръхпроводящо състояние, когато са охладени до достатъчно ниска температура, са започнали да се наричат свръхпроводници. Критичната температура на охлаждане, при която настъпва преходът на веществото в свръхпроводящо състояние, се нарича температура на свръхпроводящия преход или критичната температура на преход Tcr.

Преходът към свръхпроводящо състояние е обратим. Когато температурата се повиши до Tc, материалът се връща в нормалното си (непроводимо) състояние.

Особеността на свръхпроводниците е, че веднъж индуциран в свръхпроводяща верига, електрически ток ще циркулира дълго време (в продължение на години) по тази верига без забележимо намаляване на нейната сила и, освен това, без допълнително подаване на енергия отвън. Подобно на постоянен магнит, такава верига създава магнитно поле в околното пространство.

През 1933 г. немските физици У. Майснер и Р. Оксенфелд откриват, че свръхпроводниците се превръщат в идеални диамагнетици при преминаване в свръхпроводящо състояние. Следователно външното магнитно поле не прониква в свръхпроводящото тяло. Ако преходът на материал в свръхпроводящо състояние се случи в магнитно поле, тогава полето се "изтласква" от свръхпроводника.

Известните свръхпроводници имат много ниски критични температури на преход Tc. Следователно устройствата, които използват свръхпроводници, трябва да работят при условия на охлаждане с течен хелий (температурата на втечняване на хелий при нормално налягане е около 4,2 K). Това усложнява и увеличава разходите за производство и експлоатация на свръхпроводящи материали.

В допълнение към живака свръхпроводимостта е присъща и на други чисти метали (химични елементи) и различни сплави и химични съединения. Обаче метали като сребро и мед при най-ниските температури, достигнати в момента, не могат да бъдат трансформирани в свръхпроводящо състояние.

Възможностите за използване на явлението свръхпроводимост се определят от стойностите на температурата на преход към свръхпроводящо състояние Tc и критичната сила на магнитното поле.

Свръхпроводящите материали се класифицират на меки и твърди материали. Чистите метали се класифицират като меки свръхпроводници, с изключение на ниобий, ванадий, телур. Основният недостатък на меките свръхпроводници е ниската сила на критичното магнитно поле.

В електротехниката не се използват меки свръхпроводници, тъй като свръхпроводящото състояние в тези материали изчезва вече в слаби магнитни полета при ниски плътности на тока.

Твърдите свръхпроводници включват сплави с изкривени кристални решетки. Те поддържат свръхпроводимост дори при относително висока плътност на тока и силни магнитни полета.

Свойствата на твърдите свръхпроводници са открити в средата на този век и досега проблемът с тяхното изучаване и приложение е един от най-важните проблеми на съвременната наука и техника.

Твърдите свръхпроводници имат редица характеристики:

при охлаждане преходът в свръхпроводящо състояние не настъпва рязко, както при меките свръхпроводници, а през определен температурен интервал;

някои от твърдите свръхпроводници имат не само относително високи стойности на критичната температура на преход Tc, но и относително високи стойности на критичната магнитна индукция Bcr;

когато магнитната индукция се промени, могат да се наблюдават междинни състояния между свръхпроводящ и нормален;

имат тенденция да разсейват енергията, когато през тях се променя променлив ток;

зависимост на свойствата на свръхпроводимост от технологичните режими на производство, чистотата на материала и съвършенството на кристалната му структура.

Според своите технологични свойства твърдите свръхпроводници се разделят на следните видове:

относително лесно деформируем, от който могат да се направят тел и ленти [ниобий, ниобий-титанови сплави (Nb-Ti), ванадий-галий (V-Ga)];

трудни за деформация поради крехкост, от която продуктите се получават чрез методите на праховата металургия (интерметални материали като ниобиев станид Nb3Sn).

Свръхпроводящите проводници често са покрити със "стабилизираща" обвивка от мед или друг метал, която провежда електрически ток и топлина, което прави възможно избягването на повреда на основния материал на свръхпроводника, когато температурата се повиши случайно.

В някои случаи се използват композитни свръхпроводящи проводници, при които голям брой тънки нишковидни свръхпроводници са затворени в масивна обвивка от мед или друг непроводим материал.

Филмите от свръхпроводящи материали имат специални свойства:

критичната температура на преход Tcr в някои случаи значително надвишава Tcr на насипни материали;

големи стойности на граничните токове, преминали през свръхпроводника;

по-кратък температурен диапазон на преход в свръхпроводящо състояние.

Свръхпроводниците се използват за създаване на: електрически машини и трансформатори с малка маса и размер с висока ефективност; кабелни линии за пренос на голяма мощност на големи разстояния; особено вълноводи с ниско затихване; устройства за съхранение на енергия и памет; магнитни лещи на електронни микроскопи; PCB индуктори.

На базата на филмови свръхпроводници са създадени редица устройства за съхранение и елементи на автоматизация и компютърни технологии.

Свръхпроводящите електромагнитни намотки позволяват да се получат максимално възможните стойности на силата на магнитното поле.

Някои метали могат да достигнат при ниски (криогенни) температури много малка стойност на специфичното електрическо съпротивление p, което е стотици и хиляди пъти по-малко от специфичното електрическо съпротивление при нормална температура. Материалите с тези свойства се наричат криопроводници (хиперпроводници).

Физически явлението криопроводимост не е подобно на феномена свръхпроводимост. Плътността на тока в криопроводниците при работни температури е хиляди пъти по-висока от плътността на тока в тях при нормални температури, което определя използването им в електрически устройства с висок ток, които са обект на високи изисквания за надеждност и безопасност при експлозия.

Приложение на криопроводници в електрически машини, кабели и др. има значително предимство пред свръхпроводниците.

Ако течният хелий се използва като охлаждащ агент в свръхпроводящи устройства, работата на криопроводниците се осигурява поради по-кипящи и по-евтини хладилни агенти - течен водород или дори течен азот. Това опростява и намалява разходите за производство и експлоатация на устройството. Необходимо е обаче да се вземат предвид техническите трудности, които възникват при използването на течен водород, който образува експлозивна смес с въздух при определено съотношение на компонентите.

Като криопроводници се използват мед, алуминий, сребро, злато.

Източник на информация: "Наука за електрическите материали" Л. Журавлева.