Supraconductori și crioconductori

Supraconductori și crioconductori

Se cunosc 27 de metale pure și mai mult de o mie de aliaje și compuși diferiți în care este posibilă trecerea la o stare supraconductoare. Acestea includ metale pure, aliaje, compuși intermetalici și unele materiale dielectrice.

Supraconductori

Când temperatura scade rezistența electrică specifică a metalelor scade și la temperaturi foarte scăzute (criogenice), conductivitatea electrică a metalelor se apropie de zero absolut.

În 1911, la răcirea unui inel de mercur înghețat la o temperatură de 4,2 K, omul de știință olandez G. Kamerling-Onnes a descoperit că rezistența electrică a inelelor a scăzut brusc la o valoare foarte mică care nu a putut fi măsurată. O astfel de disparitie a rezistentei electrice, i.e. apariția conductibilității infinite într-un material se numește supraconductivitate.

Materialele cu capacitatea de a trece într-o stare supraconductoare atunci când sunt răcite la un nivel de temperatură suficient de scăzut au început să fie numite supraconductori.Temperatura critică de răcire la care are loc o tranziție a materiei într-o stare supraconductivă se numește temperatura de tranziție supraconductoare sau temperatura critică de tranziție Tcr.

O tranziție supraconductoare este reversibilă. Când temperatura crește la Tc, materialul revine la starea sa normală (neconductivă).

O caracteristică a supraconductorilor este aceea că, odată indus într-un circuit supraconductor, curentul electric va circula timp îndelungat (ani) de-a lungul acestui circuit fără o reducere apreciabilă a rezistenței sale și, în plus, fără o alimentare suplimentară de energie din exterior. Ca un magnet permanent, un astfel de circuit se creează în spațiul înconjurător camp magnetic.

În 1933, fizicienii germani V. Meissner și R. Oxenfeld au stabilit că supraconductorii în timpul tranziției la starea supraconductivă devin diamagneți ideali. Prin urmare, câmpul magnetic extern nu pătrunde într-un corp supraconductor. Dacă trecerea materialului la o stare supraconductivă are loc într-un câmp magnetic, atunci câmpul este „împins” în afara supraconductorului.

Supraconductorii cunoscuți au temperaturi critice de tranziție foarte scăzute Tc. Prin urmare, dispozitivele în care folosesc supraconductori trebuie să funcționeze în condiții de răcire cu heliu lichid (temperatura de lichefiere a heliului la presiune normală este de aproximativ 4,2 DA SE). Acest lucru complică și crește costul de fabricație și exploatare a materialelor supraconductoare.

Pe lângă mercur, supraconductivitatea este inerentă altor metale pure (elemente chimice) și diferite aliaje și compuși chimici. Cu toate acestea, la majoritatea metalelor precum argintul și cuprul, temperaturile scăzute atinse în acest moment devin supraconductoare dacă condiția eșuează.

Posibilitățile de utilizare a fenomenului de supraconductivitate sunt determinate de valorile temperaturii de tranziție la starea supraconductivă a lui Tc și de puterea critică a câmpului magnetic.

Materiale supraconductoare împărțite în moi și dure. Supraconductorii moi includ metale pure, cu excepția niobiului, vanadiului și teluriului. Principalul dezavantaj al supraconductorilor moi este valoarea scăzută a intensității câmpului magnetic critic.

În inginerie electrică, supraconductorii moi nu sunt utilizați, deoarece starea supraconductoare din ei dispare deja în câmpuri magnetice slabe la densități scăzute de curent.

Supraconductorii solizi includ aliaje cu rețele cristaline distorsionate. Ei păstrează supraconductivitatea chiar și la densități de curent relativ mari și câmpuri magnetice puternice.

Proprietățile supraconductoarelor solide au fost descoperite la mijlocul acestui secol, iar până în prezent problema cercetării și aplicării acestora este una dintre cele mai importante probleme ale științei și tehnologiei moderne.

Supraconductorii solizi au o serie de funcții:

• la răcire, trecerea la starea supraconductoare nu are loc brusc, ca la supraconductorii moi și pentru un anumit interval de temperatură;

• unii dintre supraconductorii solizi au nu numai valori relativ ridicate ale temperaturii critice de tranziție Tc, ci și valori relativ ridicate ale inducției magnetice critice Vkr;

• în modificările inducției magnetice se pot observa stări intermediare între supraconductor și normal;

• au tendința de a disipa energie la trecerea curentului alternativ prin ele;

• proprietățile de dependență ale supraconductivității din metodele tehnologice de producție, puritatea materialului și perfecțiunea structurii sale cristaline.

În funcție de proprietățile tehnologice, supraconductorii solizi sunt împărțiți în următoarele tipuri:

• relativ ușor deformabile din care sârmă și benzi [niobiu, aliaje de niobiu-titan (Nb-Ti), vanadiu-galiu (V-Ga)];

• greu de deformat din cauza fragilității, din care se obțin produse prin metode de metalurgie a pulberilor (materiale intermetalice precum stanid de niobiu Nb3Sn).

Adesea fire supraconductoare acoperite cu o manta „stabilizatoare” din cupru sau alt material foarte conductor electricitate și căldura metalului, care face posibilă evitarea deteriorarii materialului de bază al supraconductorului cu o creștere accidentală a temperaturii.

În unele cazuri, se folosesc fire supraconductoare compozite, în care un număr mare de filamente subțiri de material supraconductor sunt închise într-o manta solidă de cupru sau alt material neconductor.

Materialele film supraconductoare au proprietăți speciale:

• temperatura critică de tranziție Tcr în unele cazuri depășește semnificativ Tcr materiale vrac;

• valori mari ale curenților limită trecuți prin supraconductor;

• interval de temperatură mai mic al trecerii la starea supraconductoare.

Supraconductorii sunt utilizați la crearea: mașini electrice și transformatoare cu masă și dimensiuni mici cu un factor de eficiență ridicat; linii mari de cablu pentru transmiterea energiei pe distanțe lungi; în special ghiduri de undă cu atenuare scăzută; conduce dispozitivele de alimentare și de memorie; lentile magnetice ale microscoapelor electronice; bobine de inductanță cu cablaj imprimat.

Pe baza supraconductorilor de peliculă au creat o serie de dispozitive de stocare și elemente de automatizare și tehnologie de calcul.

Bobinele electromagnetice din supraconductori fac posibilă obținerea valorilor maxime posibile ale intensității câmpului magnetic.

Criosonde

Unele metale pot atinge la temperaturi scăzute (criogenice) o valoare foarte mică a rezistenței electrice specifice p, care este de sute și mii de ori mai mică decât rezistența electrică la temperatură normală. Materialele cu aceste proprietăți se numesc crioconductori (hiperconductori).

Din punct de vedere fizic, fenomenul de crioconductivitate nu este similar cu fenomenul de supraconductivitate. Densitatea de curent din crioconductori la temperaturi de funcționare este de mii de ori mai mare decât densitatea de curent din acestea la temperatură normală, ceea ce determină utilizarea lor în dispozitive electrice de mare curent care sunt supuse unor cerințe ridicate de fiabilitate și siguranță la explozie.

Aplicarea crioconductoarelor în mașini electrice, cabluri etc. are un avantaj semnificativ față de supraconductori.

Dacă heliul lichid este utilizat în dispozitivele supraconductoare, funcționarea crioconductoarelor este asigurată datorită punctului de fierbere mai mare și a agenților frigorifici ieftini - hidrogen lichid sau chiar azot lichid. Acest lucru simplifică și reduce costurile de producție și operare a dispozitivului. Cu toate acestea, este necesar să se ia în considerare dificultățile tehnice care apar la utilizarea hidrogenului lichid, formând, la un anumit raport de componente, un amestec exploziv cu aerul.

Ca crioprocesoare folosesc cupru, aluminiu, argint, aur.

Sursă de informații: „Electromateriale” Zhuravleva L. V.