Материалы с высокой проводимостью

К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; до­статочно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разры­ве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготов­ления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость.

Основным является требование максимальной удельной прово­димости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, возникающей при штамповке или волочении, что приводит к разру­шению отдельных зерен металла. Влияние деформаций металла на его электропроводность устраняется при отжиге, во время которо­го уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые материалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии.

Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости являются цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми металлами. Однако цветные металлы и их сплавы экономически целе­сообразно использовать в тех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и сталь. Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термической обработке – отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства.

Медь и ее сплавы

Медь является одним из самых распространенных материа­лов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами:

- малым удельным электрическим сопротивлением (из всех метал­лов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди);

- высокой механической прочностью;

- удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в услови­ях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно мед­леннее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди проис­ходит только при повышенных температурах);

- хорошей паяемостью и свариваемостью;

- хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку).

1) Получение меди

Медь получают чаще всего в результате переработки сульфид­ных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содер­жание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопро­тивления на 1...5%. Поэтому медь, предназначенная для электро­технических целей, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодные пластины меди, полученные в результате элект­ролиза, переплавляют в болванки массой 80...90 кг, которые про­катывают и протягивают, создавая изделия необходимого попереч­ного сечения.

Электролиз – совокупность процессов электрохимического окисления – восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока

2) Марки меди

В качестве проводникового материала используют медь марок Ml и МО.

Медь марки Ml содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно быть не более 0,08%.

Медь марки МО содержит примесей не более 0,05%, в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему со­держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими механи­ческими свойствами, чем медь марки Ml.

Медь марки MB медь, выплавляемая в вакуумных индукционных печах содержит не более 0,01 % примесей.

При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит).

Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обес­печить высокую механическую прочность, твердость и сопротив­ляемость истиранию: для контактных проводов, шин распредели­тельных устройств, для коллекторных пластин электрических ма­шин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил ка­белей и проводов диаметром до 0,2 мм.

После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270 °С) с последующим охлажде­нием получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3...5% выше, чем у твердой меди.

Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая проводимость такой меди рав­на 58 мкСм/м, соответственно = 0,017241 мкОм×м при значении ТК = 4,3-10-3К-1.

Таблица 3. Свойства медной проволоки

Параметр	Марки
	МТ	ММ
Плотность, кг/м^3	8,96×10^3	8,9×10^3
Удельное сопротивление, мкОм×м, не более	0,0179-0,0182	0,0175
Предел прочности при растяжении, Мпа, не менее	360 - 390	260 - 280
Относительное удлинение при разрыве, %	0,5 – 2,5	18 - 35

 

3) Применение меди

Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабе­лях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие “пружинения” при изгибе), а прочность не имеет боль­шого значения.

Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротех­нических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с дру­гими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было пере­плавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводни­ковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюми­нием.

4) Сплавы меди

В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей.

Бронзы. Сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния, бериллия и других элементов, среди которых цинк не является ос­новным легирующим элементом, называют бронзами (табл. 4).

При правильно подобранном составе бронзы имеют значитель­но более высокие механические свойства, чем чистая медь (значе­ния предела прочности бронз могут доходить до 800... 1200 МПа и более). Бронзы обладают малой объемной усадкой (0,6... 0,8%) по сравнению с чугуном и сталью, у которых усадка достигает 1,5......2,5%. Поэтому наиболее сложные детали отливают из бронзы.

Таблица 4. Основные свойства некоторых проводниковых бронз.

Параметры	Кадмиевая	Бериллиевая	Фосфорная
Удельная электропровод- ность по отношению к электротехническому стандарту, %	95/90	37/30	(10…15)/ (10…15)
Предел прочности при растяжении σp, МПа	До 310/730	(700…790)/ (1620…1750)	400/970
Относительное удлинение при Δ l / l,%	50/4	20/9	50/3

Примечание.

1. Состав кадмиевой бронзы 0,9% Cd, остальное Сu; бериллиевой - 2,25% Ве, остальное Сu; фосфористой 0,1 % Р, 7% Sn, остальное Сu.

2. В числителе данные для отожженной латуни, в знаменателе -для твердотянутой.

 

Введение в медь кадмия дает существенное повышение механи­ческой прочности и твердости при сравнительно малом снижении удельной электрической проводимости у.

Кадмиевую бронзу МК (0,9% кадмия Cd, остальное Си) применяют для контактных проводов и коллекторных пластин осо­бо ответственного назначения, а также сварочных электродов при контактных методах сварки.

Обладая еще большей, чем кадмиевая бронза, механической прочностью, твердостью и стойкостью к механическому износу (пре­дел прочности при растяжении а до 1350 МПа) бериллиевая бронза не изменяет своих свойств до температуры примерно 250°С. Она находит применение при изготовлении ответственных токоведущих пружин для электрических приборов, щеткодержателей, токоштепсельных и скользящих контактов.

Фосфористая бронза (6,5% олова Sn, 0,15 - фосфора Р, остальное медь Си) отличается низкой электропроводимостью. Из нее изготавливают различные малоответственные токоподводящие пружины в электроприборах.

Латуни. Латуни представляют собой медные сплавы, и которым основным легирующим элементом является цинк (до 43%). Латуни прочнее, пластичнее меди, обладают достаточно высо­ким относительным удлинением при повышенном пределе проч­ности на растяжение по сравнению с чистой медью, имеют по­ниженную стоимость, так как входящий в них цинк дешевле меди (табл. 5).

Иногда для повышения коррозионной стойкости в состав сплава в небольшом количестве вводят алюминий, никель, марганец.

Таблица 5. Основные свойства некоторых латуней

Параметр	Латунь (68%Cu, 32%Zn)	Латунь (59%Cu, 40%Zn, 1%Pb)
Удельная проводимость по отношению к электротехническому стандарту меди в %	46/30	30/20
Предел прочности при растяжении, МПа	380/880	350/450
Относительное удлинение при разрыве, %	65/5	25/5

Примечание. В числителе данные для отожженной латуни, в знаменателе - для твердотянутой.

 

Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке (контакты термобиметаллического реле, экраны контуров, пластины воздушных конденсаторов переменной емкости, колпач­ки радиотехнических ламп).

Алюминий и его сплавы

Алюминий относится к так называемым легким ме­таллам (плотность литого алюминия около 2600, прокатанного -2700 кг/м3).

Алюминий обладает следующими особенностями:

- удельное электрическое сопротивление  алюминия (при содер­жании примесей не более 0,05%) в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиоэлектронике;

- алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди;

- из-за высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плав­ления алюминия нагревание алюминиевого провода до расплавле­ния требует больших затрат энергии, чем нагревание и расплавле­ние такого же количества меди;

- даже при одинаковой стоимости алюминия и меди в слитках сто­имость алюминиевой проволоки почти вдвое ниже, однако исполь­зование алюминия для изолированных проводов в большинстве случаев менее выгодно из-за затрат на изоляцию;

- алюминий на воздухе активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением, ко­торая предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но созда­ет большое переходное сопротивление в местах контакта алюми­ниевых проводов;

алюминий менее дефицитен, чем медь;

- существенным недостатком алюминия как проводникового ма­териала является низкая механическая прочность, для ее повыше­ния алюминий подвергается механической обработке;

- прокатка, протяжка и отжиг алюминия аналогичны соответству­ющим операциям для меди;

- примеси значительно снижают проводимость алюминия.

1) Марки алюминия

Алюминий высокой степени чистоты (примесей не более 0,001...0,01%) марок А999 и А995 используют для изготовления анодной и катодной фольги электролитических конденсаторов и в микроэлектронике для получения тонких пленок.

Менее чистый алюминий марок А97 и А95 (примесей не более 0,03%) используют для корпусов электролитических конденсаторов, статорных и роторных пластин воздушных конденсаторов. Из алю­миниевой фольги и ленты изготавливают экраны радиочастотных коаксиальных кабелей.

Промышленность выпускает алюминиевую проволоку следую­щих марок: АТП - твердая повышенной прочности, AT - твердая, АПТ - полутвердая, AM - мягкая.

Основные свойства алюминиевой проволоки приведены ниже.

Марка алюминия                              AT                             AM

Плотность ρ, кг/м3.                            2600...2700              2600...2700

Удельное электрическое сопротивление ρ, мкОм-м, не более, 0295                   0,0290

Предел прочности при растяжении σр, МПа, не менее160...170                    80

Относительное удлинение при разрыве, % 1,5...2,0                  10...18

 

По мере снижения твердости проволоки в 1,9...2,7 раза уменьшает­ся предел ее прочности при растяжении. Максимальное знамение пре­дела прочности алюминиевого провода более чем в 2 раза ниже, чем соответствующие значения медного. Из-за низкой механической проч­ности правильная эксплуатация алюминиевых поводов сопряжена с выполнением следующих условий: их нельзя протаскивать по твердому грунту, скручивать с медной проволокой, загрязнять поверхность.

Пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами. Для пайки алюминия применяются специаль­ные пасты-припои или используются ультразвуковые паяльники. В местах контакта алюминия и меди возможна гальваническая коррозия. Если область контакта подвергается действию влаги, то возникает местная гальваническая пара с довольно высоким значе­нием э.д.с., причем полярность этой пары такова, что на внешней поверхности контакта ток идет от алюминия к меди и алюминиевый проводник может быть сильно разрушен коррозией. Поэтому места соединения медных проводников с алюминиевыми должны тща­тельно защищаться от увлажнения (покрытием лаками и тому подоб­ными способами).

2) Алюминиевые сплавы

Сплав алъдрей (0,3...0,5% меди Сu, 0,4...0,7% кремния Si, 0,2...0,3% железа Fe, остальное алюминий А1) обладает следующими свойствами:

- повышенной механической прочностью (в 2 раза прочнее алюминия, приближаясь к твердотянутой меди  = 350 MПa);

- сплав сохраняет легкость чистого алюминия и близок к нему по удельному электрическому сопротивлению (  = 0,0317 мкОм×м);

- более высоким пределом вибрационной прочности по сравне­нию с чистым алюминием.

Применяется для изготовления проводов малонагруженных ли­ний электропередачи.

Магналий (сплав алюминия с магнием) отличается низкой плот­ностью. Применяется для изготовления стрелок различных элект­рорадиотехнических приборов.

Силумин относится к группе литейных сплавов с повышенным содержанием кремния, меди и марганца. Он обладает хорошей жидкотекучестью, малой усадкой, большой плотностью и повышенной прочностью по сравнению с алюминием и широко применяется для корпусов воздушных конденсаторов.

Дюраль принадлежит к деформируемым сплавам алюминия с медью, магнием и марганцем. Медь и магний улучшают механи­ческие свойства сплава, а марганец увеличивает твердость и корро­зионную стойкость, которая является недостаточной по сравнению с другими коррозионными сплавами. Для защиты от коррозии его покрывают лаками, красками или слоем алюминия.

Сталеалюминиевый провод, широко применяемый в линиях электропередачи, представляет собой сердечник, свитый из стальных жил и обвитый снаружи алюминиевой проволокой. В проводах такого типа механическая прочность определяется глав­ным образом стальным сердечником, а электрическая проводи­мость ˗ алюминием.

 Увеличенный наружный диаметр сталеалюминиевого провода по сравнению с медным на линиях передачи высокого напряжения является преимуществом, так как уменьшает опасность возникновения короны вследствие снижения напряженно­сти электрического поля на поверхно­сти провода.

 

Железо и его сплавы

Железо обладает следующими свойствами:

- более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное элек­трическое сопротивление (  примерно 0,1 мкОм×м), что ограничива­ет возможности применения железа как проводникового материала;

- высокий температурный коэффициент удельного электрическо­го сопротивления ТКр;

- высокая механическая прочность;

- дешевизна и доступность материала;

- большая магнитная проницаемость и высокая индукция насы­щения;

- технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).

При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно ска­зывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме то­го, при переменном токе в стальных про­водниках появляются потери мощности на гистерезис.

1) Применение железа

Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электрова­куумных приборах как материал для анодов, экранов и других эле­ментов, работающих при температурах до 500 °С. Как ферромаг­нитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовле­нии изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.

2) Сплавы железа

а) Стали

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,05% принято называть техническим железом, с содержанием уг­лерода 0,05... 1,35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.

В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода все­гда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1...0,37%); марганец Мп (0,2...0,8%); сера S (0,03...0,06%); фосфор Р (0,03......0,07%).

Кремний способствует устранению пузырей в слитке, повышает сопротивление разрыву и упругие свойства стали, а также повыша­ет твердость.

Марганец повышает твердость стали и сопротивление разрыву, уменьшает удлинение и ухудшает свариваемость стали.

Сера является вредной примесью. Присутствие серы в количе­стве выше допустимого ухудшает прочность, пластичность и кор­розионную стойкость, повышает истираемость и изнашиваемость изделий. Фосфор также является вредной примесью. Его повышен­ное содержание вызывает в стали хрупкость при обычных темпера­турах и появление трещин при ударной деформации, ухудшает ме­ханические свойства за счет образования крупнозернистой струк­туры.

Кислород в стали содержится обычно в тысячных долях процен­та. При повышении содержания кислорода увеличивается хрупкость стали.

По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкци­онную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.

В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова “Сталь” ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь 10 (содержание углерода 0,1%).

Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, назы­ваются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значитель­ной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.

 

Натрий

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

- удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза боль­ше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;

- низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводи­мости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но легче, чем провода из любого другого металла;

- химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

- мягок;

- малый предел прочности при растяжении и других деформа­циях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэти­леновые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.

Биметалл

    В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болван­кой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечи­вает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холод­ном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Биметалл имеет механические и электрические свойства, проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ного проводника того же сечения: прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии (из тех же соображений применяется и рас­положение стали внутри конструкции в сталеалюминиевых проводах).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Требования к электротехническим материалам?

2. Что такое сплавы металлов?

3. Классификация и технические характеристики сплавов.

4. Дать классификацию проводниковых материалов по области применения.

5. Какие материалы можно использовать для изготовления прово­лочных резисторов и почему?

6. Какие проводниковые материалы используются для изготовле­ния электронагревательных элементов?

7. Описать требования и указать основные материалы, применяе­мые для изготовления скользящих контактов.

8. Описать требования и указать основные проводниковые мате­риалы, используемые в электровакуумной технике.

9. Указать назначение и дать краткую характеристику припоям.

 

6. СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ

Сверхпроводники

    При понижении темпе­ратуры удельное сопротивление r металлических проводников уменьшается. Исключительный интерес представляет вопрос об электропроводности металлов при весьма низких (криогенных) температурах, около абсолютного нуля.

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература T _с, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, ˗ температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g.

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, харак­терного для данного сверхпроводникового материала).

Такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода B _с.

Рис. 17. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

 

Это поясняется диаграммами состояния сверх­проводника, изображенных на (рис.17) и (рис.18). Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температура перехода Т_с0 (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита ˗ при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть OPQ на рис. 17 соответствует сверхпроводящему состоянию, а не заштрихованная область вне кривой PQ ˗ нормальному состоя­нию материала. Если материал работает при температуре и магнит­ной индукции, соответствующих точке X на диаграмме состояния, то сверхпроводимость мо­жет быть нарушена нагре­вом (переход через кривую PQ в точке Y), повышением магнитной индукции (пере­ход через кривую PQ в точке Z), а также в общем случае и одновременным изменением как Т, так и В, что переводит материал в нормальное состояние (кривая PQ пересекается в любой ее точке).

Рис. 18. Диаграммы состояния элементарных сверхпроводников первого рода для наиболее известных элементов

 

Рис. 19. Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником

 

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнару­жили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнит­ная проницаемость m скачком падает от m = 1 до m = 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 (рис. 19).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Т_с. 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.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым ме­таллам (химическим элементам) и различным сплавам и химичес­ким соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, пере­вести в сверхпроводящее состояние не удалось.

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 индукции магнитного поля В_с0. 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.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

- при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние проис­ходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

- некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только срав­нительно высокие значения критической температуры перехода Т_с, но и относительно высокие значения критической магнитной ин­дукции В_с0;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться проме­жуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

- имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

- зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кри­сталлической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

1) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготав­ливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

2) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметал­лические материалы типа станнида ниобия Nb,Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизиру­ющей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего элек­трический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случай­ном повышении температуры. В ряде случаев применяют компо­зитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную обо­лочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в табл. 6.

Таблица 6. Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов

Параметр	Мягкие сверхпроводники				Твердые сверхпроводники
	Al	Hg	Pb	Nb	44% Nb+ +56% Ti	50% Nb+ +50% Zn	V3 Ca	Nb3Sn
Наибольшее значение: температуры перехода Ткр0, К	1,2	42	7,2	9,4	8,7	9,5	14	18
Наибольшее значение: магнитной индукции перехода Вкр0, Тл	0,01	0,041	0,08	0,195	12	11	50	22

 

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

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость.), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающее таким свойством, называются криопроводниками. Физически явление криопроводимости не 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.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Описать характер изменения подвижности свободных носите­лей зарядов в металлических проводниках при изменении температуры.

2. Дать определения проводимости и удельного сопротивления. Назвать единицы измерения.

3. Описать характер изменения электропроводности проводников при изменении температуры.

4. Сверхпроводники и криопроводники.

5. Описать явление криопроводности.