Сверхпроводники криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных спла­вов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Интерметалли́д (интерметаллическое соединение) - химическое соединение двух или более металлов.

1. Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротив­ление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) тем­пературах электропроводность металлов приближается к абсолют­ному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до тем­пературы 4,2 К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнару­жил, что электрическое сопротивление р кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление беско­нечной удельной проводимости у материала, было названо сверх­проводимостью. Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводимое состояние при их охлаждении до достаточно низ­кой температуры, стали называть сверхпроводниками. Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход веще­ства в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверх- проводимого перехода или критической температурой перехода. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до материал возвращается в нормаль­ное (непроводящее) состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток бу­дет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без за­метного уменьшения своей силы и притом без всякого дополни­тельного подвода энергии извне. Подобно постоянному магни­ту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснсер и Р.Оксенфельд обнару­жили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнит­ная проницаемость скачком падает от 1 до 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода. Поэтому устройства, в которых исполь­зуются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном дав­лении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.

К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исклю­чением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля. В радиотехнике мягкие сверхпроводники не применяются, по­скольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам отно­сят сплавы с искаженными кристалличес­кими решетками. Они сохраняют сверх­проводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных маг­нитных полях. Свойства твердых сверх­проводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и приме­нения является одной из важнейших про­блем современной науки и техники.

Сверхпроводники используют при создании: электрических ма­шин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэф­фициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энер­гии большой мощности на большие расстояния; волноводов с осо­бо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивнос­ти с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и

вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпро­водников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

2. Криопроводники

Некоторые металлы могут достигать при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удель­ное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводникими (гиперпроводниками). Физически явление криопроводи- мости нс сходно с явлением сверхпроводимости.

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной тем­пературе, что определяет их использование в сильноточных элект­ротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие тре­бования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверх­проводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопровод­ников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упро­щает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Одна­ко необходимо учитывать технические трудности, которые возника­ют при использовании жидкого водорода, образующего при опреде­ленном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, се­ребро, золото.