Электропроводность твердых диэлектриков

Электропроводность твердых тел обусловлена как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов случайных примесей, а у некоторых материалов может быть вызвана наличием свободных электронов. Вид электропроводности устанавливают экспериментально, используя закон Фарадея. Ионная электропроводность сопровождается переносом вещества на электроды. При электронной электропроводности это явление не наблюдается. В процессе прохождения электрического тока через твердый диэлектрик содержащиеся в нем ионы примесей могут частично удаляться, выделяясь на электродах; последнее с течением времени приводит к уменьшению проводимости и тока (рис. 4.1). В твердых диэлектриках ионного строения электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, вырываемых из решетки под влиянием флуктуации теплового движения. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы, в частности ионы примесей. При высоких температурах движутся основные ионы кристаллической решетки. В диэлектриках с атомной или молекулярной решеткой электропроводность зависит от наличия примесей. Удельная проводимость (в) при температуре: При относительно невысоких напряженностях электрического поля концентрация носителей заряда и подвижность не зависят от, т. е. скорость их перемещения пропорциональна напряженности поля: – соблюдается закон Ома. Подвижность электронов на много порядков больше, чем подвижность ионов. В двуокиси титана, например, подвижность электронов составляет около, тогда как подвижность ионов в алюмосиликатной керамике всего. В диэлектрике с электронной электропроводностью концентрация электронов в раз меньше, чем концентрация носителей в диэлектрике с ионной электропроводностью при одинаковом заряде носителей и одинаковом значении удельной проводимости. При ионной электропроводности число диссоциированных ионов находится в экспоненциальной зависимости от температуры: Подвижность иона также выражается экспоненциальной зависимостью от температуры: где – предельная подвижность иона; –энергия перемещения иона, определяющая переход его из одного неравновесного положения в другое. Подставляя и в формулу для удельной проводимости (4.1) и объединяя постоянные, и одним коэффициентом, получаем: Формула показывает, что чем больше значения энергии диссоциации и перемещения, тем резче изменяется проводимость при изменении температуры. Ввиду того, что обычно, температурная зависимость проводимости определяется главным образом изменением концентрации носителей. Величина для твердых веществ лежит в пределах 10000 - 22000 К. Если в диэлектрике ток обусловлен передвижением разнородных ионов, выражение (4.2) принимает вид: В связи с этим кривые логарифмической зависимости удельной проводимости от температуры имеют изломы. При низких температурах электропроводность обусловлена ионизированными примесями, при высоких температурах она становится собственной. В некоторых случаях излом кривой температурной зависимости логарифма удельной проводимости объясняется тем, что ионы основного вещества имеют различные энергии диссоциации. Практически при рассмотрении зависимостей от температуры можно использовать приближенные формулы вида: где – удельная объемная проводимость при; – удельное объемное сопротивление при; – соответствующие температурные коэффициенты. Собственная электропроводность твердых тел и изменение ее в зависимости от температуры определяются структурой вещества и его составом. В телах кристаллического строения с ионной решеткой электропроводность связана с валентностью ионов. Кристаллы с одновалентными ионами обладают большей удельной проводимостью, чем кристаллы с многовалентными ионами. Так, для кристалла удельная проводимость значительно больше, чем для кристаллов или. B анизотропных кристаллах удельная проводимость неодинакова по разным его осям. Например, в кварце удельная проводимость в направлении, параллельном главной оси, примерно в 1000 раз больше, чем в направлении, перпендикулярном этой оси. В кристаллических телах с молекулярной решеткой (сера, алмаз) удельная проводимость мала и определяется в основном примесями. У твердых пористых диэлектриков при наличии в них влаги даже в ничтожных количествах значительно увеличивается удельная проводимость. Высушивание материалов повышает их электрическое сопротивление, но при нахождении высушенных материалов во влажной среде сопротивление вновь уменьшается. Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, которые содержат растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой проводимостью. Для уменьшения влагопоглощения и влагопроницаемости пористые изоляционные материалы подвергают пропитке. При больших напряженностях электрического поля необходимо учитывать возможность появления в твердых диэлектриках электронного тока, быстро возрастающего с увеличением напряженности поля, в результате чего наблюдается отступление от закона Ома.

4.5. Поверхностная электропроводность твердых диэлектриков Поверхностная электропроводность обусловлена наличием влаги, загрязнениями и различными дефектами поверхности диэлектрика. Вода обладает значительной проводимостью. Достаточно тонкого слоя влаги на поверхности диэлектрика, чтобы обнаружить заметную проводимость, которая определяется в основном толщиной этого слоя. Однако, поскольку сопротивление адсорбированной пленки влаги связано с природой материала, на поверхности которого она находится, удельную поверхностную проводимость обычно рассматривают как свойство самого диэлектрика. Адсорбция влаги на поверхности диэлектрика находится в тесной зависимости от относительной влажности окружающей среды. Поэтому относительная влажность является решающим фактором, определяющим значение удельной поверхностной проводимости диэлектрика. Удельная поверхностная проводимость тем ниже, чем меньше полярность вещества и чем чище поверхность диэлектрика. Причем наличие загрязнений на поверхности относительно мало сказывается на удельной поверхностной проводимости гидрофобных диэлектриков и сильно влияет на проводимость гидрофильных диэлектриков. К первым в основном относятся неполярные диэлектрики, чистая поверхность которых не смачивается водой, ко вторым – полярные и ионные диэлектрики со смачиваемой поверхностью. Наиболее значительное увеличение удельной поверхностной проводимости имеет место у полярных диэлектриков, частично растворимых в воде, у которых на поверхности образуется пленка электролита. Кроме того, к поверхности полярных диэлектриков могут прилипать различные загрязнения, также приводящие к росту поверхностной проводимости. Высокой поверхностной проводимостью обладают и объемно-пористые материалы, так как процесс поглощения влаги в глубь материала стимулирует также и образование ее пленки на поверхности диэлектрика. С целью уменьшения поверхностной проводимости применяют различные приемы очистки поверхности – промывку спиртом, водой с последующей просушкой и т. п. Наиболее эффективной очисткой поверхности достаточно нагревостойкого изделия, не впитывающего воду, является продолжительное кипячение в дистиллированной воде. Покрытие керамики и стекол пленками кремнийорганических лаков способствует сохранению низкой поверхностной проводимости изделий во влажной среде.

2 Магнитомягкие материалы обладают большой начальной й максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (Hс<4кА/м). Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса. Уровень магнитных характеристик магнитомягких материалов зависит от их химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. тем больше μн и μм и тем меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся удалить из них наиболее вредные примеси — углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О2, азот N2 и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем внутренних напряжений. Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

Магнитотвердые материалы:

4.1. Мартенситные высокоуглеродистые стали. Мартенситную структуру в высокоуглеродистых сталях получают их закалкой, нагревая до температуры, при которой сталь представляет собой раствор углерода в железе (аустенит), и последующим резким охлаждением в воде или масле. При мартенситной структуре кристаллы железа резко искажаются — вытягиваются в длину, а оставшаяся часть раствора углерода вызывает внутренние напряжения. Это обеспечивает магнитную твердость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных сталей. В качестве мартенситных применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали. В хромистые стали в качестве легирующего компонента вводят хром (1,3— 3,6%), в вольфрамовые — вольфрам (5,2—6,5%) и хром (0,3—0,5%), в кобальтовые — кобальт (5— 17 %), молибден (1,2— 1,7 %) и хром (8—10 %). Такие стали содержат (0,9—1,1 %) углерода, остальное — железо. Постоянные магниты изготовляют из стальных прутков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их закаливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для ста- билизации магнитных характеристик все магниты подвергают искусственному старению. Основные магнитные характеристики стальных магнитов: хромистых Вr = 0,95 Тл, Hс=4800 А/м, вольфрамовых Вr=1 Тл, Hс = 4800 А/м, кобальтовых Вr= 0,8÷ 0,9 Тл, Hc=11000÷13000 А/м. Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и вольфрамовых. Все стали находят ограниченное применение ввиду сравнительно невысокого уровня их магнитных характеристик.

 

3 Проводниками называются вещества, внутри которых в случае электростатического равновесия электрическое поле равно нулю, т.е. некомпенсированные заряды проводников локализуются в бесконечно тонком поверхностном слое, а если электрическое поле отлично от нуля, то в проводнике возникает электрический ток. В качестве проводниковых материалов могут использоваться твердые тела, жидкости и газы. Среди твердых проводниковых материалов наиболее часто в электротехнике применяются металлы и сплавы. По удельному электрическому сопротивлению металлические проводниковые материалы можно разделить на две основные группы:

металлы высокой проводимости, у которых при нормальной температуре р < 0,05 мкОм-м;

металлы и сплавы с высоким сопротивлением, имеющие при тех же условиях р > 0,3 мкОм-м.

Проводниковые материалы первой группы применяются в основном для изготовления обмоточных и монтажных проводов, жил кабелей различного назначения, шин и т.д. Про­водниковые материалы второй группы используются при производстве резисторов, электронагревательных приборов, нитей ламп накаливания и т.п. Особую группу составляют криопроводники и сверхпроводники - материалы, которые обладают ничтожно малым удельным электрическим сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю. К жидким проводникам относятся, как правило, расплавленные металлы и различные электролиты. Большинство металлов имеют достаточно высокую температуру плавления и поэтому являются жидкими проводниками при повышенных температурах. Среди металлов только ртуть, имеющая температуру плавления примерно - 39°С, может быть использована как жидкий проводник при нормальной температуре. В связи с тем что механизм электропроводности в металлах как в твердом, так и в жидком состоянии обусловлен направленным движением свободных электронов под воздействием электрического поля, их принято называть проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. В проводниках второго рода или электролитах, к которым относятся растворы, (в том числе водные) кислот, щелочей и солей, прохождение тока связано с переносом вместе с электрическими зарядами ионов вещества в соответствии с законами Фарадея. При этом состав электролита постепенно изменяется и на электродах выделяются продукты электролиза. Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких значениях напряженности электрического поля не являются проводниками. При достижении некоторого критического значения напряжен­ности электрического поля, обусловливающего начало ударной и фотоионизации, газ становится проводником с электронной и ионной электропроводностью. Если газ сильно ионизирован, то при равенстве в единице объема числа отрицательно заряженных электронов и положительных ионов наблюдается особое состояние вещества, получившее название плазма. К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельную проводимость или обратную ей величину - удельное сопротивление; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла. Проводниковые материалы с высокой проводимостью: К проводниковым материалам с высокой проводимостью относятся различные металлы и сплавы - бронзы, латуни. Среди металлов особое место занимает серебро, медь, алюминий. Серебро - металл белого цвета, один из наиболее дефицитных материалов, так как содержание его в земной коре составляет всего 7∙ %. Среди всех проводниковых материалов серебро обладает минимальным удельным сопротивлением при нормальной температуре. Серебро, имеющее марку Ср999-999,9, должно содержать не более 0,1% примесей. Механические характеристики серебра невысоки: твердость по Бринеллю составляет всего 25 (немного более золота), предел прочности при разрыве не превышает 200 МПа, а относительное удлинение при разрыве достигает 50%. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, тенденцию диффундировать в материал подложки, на который оно нанесено. В условиях высокой влажности и при повышенных температурах процесс диффузии серебра в материал подложки значительно усиливается.

Серебро достаточно широко применяется в электротехнике и электронике, при производстве радиочастотных кабелей, работающих в диапазоне высоких частот, для защиты медных проводни­ков от окисления при температурах выше 250 °С, для изготовления электродов в производстве керамических и слюдяных конденсаторов, при изготовлении и применении контактов и т.д. Поскольку потребление серебра систематически превышает производство первичного металла и восполнение его дефицита за счет вторичного, то необходимо соблюдать строгие меры по его эко­номии. Медь - металл красноватого цвета, также очень дефицитный, так как его содержание в земной коре составляет не более 4,7∙ % (в верхней ее части примерно 2∙ %). Этот металл получил ши­рокое распространение в качестве проводникового материала, поскольку обладает целым рядом технически ценных свойств:

· малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью;

· удовлетворительной стойкостью к коррозии даже в условиях повышенной влажности;

· хорошей обрабатываемостью (легко прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку малого диаметра); хорошей способностью к пайке и сварке. Наименьшим удельным сопротивлением обладает химически чистая медь. Наличие примесей в меди отрицательно влияет не только на ее механические и технологические свойства, но и значительно снижает электропроводность. Наиболее нежелательными примесями являются висмут и свинец, которые почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкую эвтектику, которая при кристаллизации меди располагается вокруг зерен. Даже тысячные доли процента висмута и сотые доли процента свинца приводят к тому, что медь при обработке давлением при температуре 850...1150°С растрескивается. Наличие серы приводит к уменьшению пластичности. Такая медь при низких температурах становится хрупкой. Очень вредно присутствие в составе меди и кислорода, который способствует образованию оксида и закиси меди, вызывающих повышение удельного сопротивления. Медь по химическому составу подразделяется на несколько марок: Ml, МООк, МОк, МОку, МООб, МОб, М1б, М1у, М1к, М1ф, М1р, к, ку - катодная медь, б - бескислородная, у - катодная переплавленная, риф- раскисленная, цифры 00, 0 и 1 отражают содержание меди. Максимальное содержание меди имеют марки МООк и МООб. Содержание меди вместе с серебром в этих марках составляет 99,9...99,99%. Медь марки М1ф с повышенным содержанием фосфора (0,012...0,06%), снижающим электропроводность, для изготовления проводников не используется. В производстве проводов не применяется также и медь марки М1р, которая раскислена фосфором и содержит его в количестве 0,002...0,012%. Данная медь может быть использована при изготовлении других типов кабельной продукции, например некоторых видов лент. В нормальных атмосферных условиях медь достаточно устой­чива к коррозии, так как ее химическая активность невелика. В су­хом и влажном воздухе, пресной воде при температуре 20 °С медь не окисляется. Незначительная коррозия имеет место только в со­леной воде. В присутствии влаги и углекислого газа на поверхнос­ти меди образуется, как правило, зеленая пленка основного карбо­ната. При нагревании меди до температуры 200 °С идет медленное ее окисление с образованием защитной пленки оксида меди СиО. Интенсивное окисление меди начинается при температуре выше 225 °С. Пониженную активность проявляет медь также и при взаимо­действии с холодными и теплыми растворами соляной и серной кислот, концентрация которых не превышает 80%. Растворимость водорода в твердой меди достаточно мало и даже при температуре 400 °С составляет не более 0,06 мг в 100 г. Медь растворяется в азот­ной кислоте, достаточно легко соединяется с хлором и другими га­логенами, может гореть в парах серы. Механические и электрические характеристики проводниковой меди существенно зависят от ее состояния. Например, твердотянутая медь марки МТ имеет мень­шую проводимость и относитель­ное удлинение перед разрывом, но большую механическую проч­ность и твердость, чем отожжен­ная медь марки ММ. В соответствии с механическими и электрическими ха­рактеристиками проводниковой меди формируются и области ее применения. Мягкая (отожженная) медь, удельное сопротивление которой при температуре 20°С не должно превышать 0,01724 мкОмм, в виде проволок различного сечения и формы применяется, как правило, для изготовления токопроводящих жил кабелей различного назна­чения, обмоточных и монтажных проводов, в производстве волно­водов и т.д. Ленточная медь широко используется при экраниро­вании кабелей связи и радиочастотных кабелей. Твердая (холод­нотянутая) медь, удельное сопротивление которой должно быть не более 0,0180 мкОмм, применяется в основном тогда, когда необ­ходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость, сопротивляемость истирающим нагрузкам и упругость. Такие тре­бования к меди предъявляются при изготовлении контактных про­водов, шин распределительных устройств, коллекторных пластин электрических машин и пр. Поскольку медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, расходование ее ведется весьма экономно и при воз­можности ее заменяют другими, менее дефицитными металлами. Алюминий - металл, занимающий второе место по значению (пос­ле меди) среди проводниковых материалов и наиболее распрост­раненный в природе, поскольку его содержание в земной коре не менее 7,5%. Широкое распространение в электротехнике этот металл полу­чил не только ввиду острого дефицита меди, но и благодаря своим замечательным свойствам. Алюминий, обладая большим сродством с воздухом, легко окисляется на воздухе, покрываясь при этом проч­ной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. На него не действуют водяной пар, пресная и морская вода. В обыч­ных условиях алюминий слабо реагирует с концентрированной азотной кислотой. Однако при нагревании он растворяется в раз­бавленной серной и азотной кислотах, легко растворяется в щело­чах, образуя при этом алюминаты с выделением водорода. По отношению к большинству металлов алюминий имеет отри­цательный электрохимический потенциал и, находясь в контакте с ними, образует гальванические пары, что в присутствии влаги спо­собствует развитию электрохимической коррозии. Поскольку ок­сидная пленка обладает электроизоляционными свойствами, в ме­сте контакта проводов создается достаточно большое переходное сопротивление, которое затрудняет пайку алюминия обычными методами. Для этой цели приходится использовать специальные припои и паяльники (ультразвуковые) или применять холодную сварку, т.е. пластическое обжатие проводов в месте их контакта. Присутствие примесей в составе алюминия, среди которых наи­более часто встречаются железо, кремний, медь, цинк и титан, суще­ственно снижают его удельную проводимость, влияют на механи­ческие характеристики и обусловливают области его применения. В соответствии с количественным содержанием контролируе­мых примесей отечественная промышленность выпускает алюми­ний особой чистоты (не более 0,001%), высокой чистоты (не более 0,05%) и технической чистоты (не более 1,0%). Марка алюминия начинается с буквы А, затем стоит цифра, определяющая процент­ное содержание алюминия, например алюминий марки А97 содер­жит 99,97% алюминия, остальное - контролируемые примеси. Для электротехнических целей используются специальные марки алю­миния А5Е и А7Е, в которых содержание железа и кремния нахо­дится в определенном соотношении, а содержание титана, вана­дия, хрома и марганца снижено до тысячных долей процента. В отожженном состоянии такой алюминий имеет предел проч­ности при растяжении 80...90 МПа, относительное удлинение 25...33%, а твердость по Бринеллю 15...20. Удельное электричес­кое сопротивление проводникового алюминия не должно превы­шать 0,0289 мкОмм. Холодная деформация алюминия и наличие примесей увеличи­вают твердость и прочность металла, снижают относительное уд­линение и его проводимость. Проводниковый алюминий используется для изготовления то-копроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных про­водов, а также неизолированных проводов для воздушных линий электропередачи, прессованных жил кабелей различного назначе­ния и т.д. Для этих же целей может использоваться алюминий спе­циальных марок А75К, А8К и А8КУ, в которых суммарное содер­жание примесей Ti + V + Mr + Cr уменьшено по сравнению с мар­ками А7 и А8. Сплавы алюминия отличаются легкостью и повышенной меха­нической прочностью по сравнению с алюминием. В состав алю­миниевых сплавов кроме алюминия могут входить марганец, цинк, магний, медь, железо и кремний, причем содержание железа и крем­ния в составе сплава не должно превышать 0,7 и 0,3% соответствен­но. В марках алюминиевых сплавов буквы дают информацию о том, какие именно элементы содержатся в сплаве (А - алюминий, К -кремний, М - медь, Мг - магний, Ц - цинк, Мц - марганец), а циф­ры - их среднее процентное содержание.

 

Свойства сверхпроводников и криопроводников.

 

Явление сверхпроводимости было открыто нидерландским физиком

Х.Камер-линг-Оннесом в 1911 г. Согласно современной теории, основные положения которой были развиты в работах Д.Лардина, Л.Купе­ра, Дж.Шриффера (теория БКШ), явление сверхпроводимости ме­таллов можно объяснить следующим образом. При температурах, близких к абсолютному нулю, меняется характер взаимодействия электронов между собой и атомной решеткой, так что становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование так называемых электронных (куперовских) пар. По­скольку куперовские пары в состоянии сверхпроводимости обла­дают большой энергией связи, обмена энергетическими импульса­ми между ними и решеткой нет. При этом сопротивление металла становится равным нулю. С увеличением температуры некоторая часть электронов термически возбуждается и переходит в одиноч­ное состояние, характерное для обычных металлов. При достижении критической температуры все куперовские пары распадаются и состояние сверхпроводимости исчезает. Аналогичный результат наблюдается при определенном значении магнитного поля (критической напряженности или критической индукции Вк), которое может быть создано собственным током и посторонними источниками. Критическая температура и критическая напряженность магнитного поля являются взаимосвя­занными величинами (для чистых металлов): где Я0- критическая напряженность магнитного поля при абсо­лютном нуле; Т0 - критическая температура при отсутствии маг­нитного поля. Следовательно, если идеальный сверхпроводник поместить в магнитное поле, то некоторой температуре Т0 будет соответ­ствовать определенное значение критической напряженности маг­нитного поля Якр1. При Н > Нкр1, и температуре Ткр1 сверхпроводя­щее состояние исчезает. Известно 35 сверхпроводниковых металлов и более 1000 сверхпроводниковых сплавов и химических соединений различных элементов. Установлены также сверхпроводящие свойства у некото­рых полупроводников, например антимонида индия InSb, серы, ксенона и пр. Для многих проводниковых материалов, таких как серебро, медь, золото, платина, даже при очень низких температу­рах достичь сверхпроводящего состояния пока не удалось. По физико-химическим свойствам элементарные сверхпровод­ники (чистые металлы) можно разделить на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления и отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие сверхпроводники отличаются наличием значительных внутренних напряжений. С позиций термодинамики сверхпроводниковые материалы при­нято делить на сверхпроводники I, II и III родов. Для сверхпроводников I рода характерны скачкообразное из­менение удельной теплоемкости и определенная температура пе­рехода в сверхпроводящее состояние, которое может разрушиться уже при малых критических температурах и напряженности маг­нитного поля примерно 1 кА/м, что затрудняет их использование. У таких материалов наблюдается эффект Майснера-Оксенфель-да, заключающийся в том, что при переходе образца в сверхпрово­дящее состояние магнитное поле выталкивается из него, т.е. он ста­новится идеальным диамагнетиком. Сверхпроводники II рода отличаются тем, что переход в сверх­проводящее состояние у них осуществляется не скачком, а посте­пенно. Для них характерны два критических значения магнитной индукции при температуре Гкр < Т0. Если магнитная индукция во внешнем поле начинает превышать значение нижней критичес­кой индукции, то происходит частичное проникновение магнит­ного поля во всю толщину сверхпроводящего образца. При этом под действием силы Лоренца электроны в сверхпроводнике на­чинают двигаться по окружностям, образуя так называемые вих­ри. Внутри вихря скорость вращения возрастает по мере приближе­ния к оси до тех пор, пока не достигнет критического значения и не произойдет «срыв» сверхпроводимости. По мере увеличения внешнего магнитного поля количество вихрей возрастает, а рас­стояние между ними сокращается. Когда оно становится соизме­римым с размером куперовской пары, весь объем переходит в нормальное состояние и магнитное поле полностью проникнет в образец. К сверхпроводникам II рода из чистых металлов можно отнес­ти только ниобий, ванадий и технеций. Сверхпроводники III рода включают в себя неидеальные сверх­проводники II рода (жесткие сверхпроводники). Для них характер­но наличие крупных неоднородностей, возникающих при выделе­нии другой фазы или пластичном деформировании. Дефекты струк­туры могут служить узлами закрепления вихрей (явление пининга), что значительно повышает допустимые токи. Например, по про­волоке из станнида ниобия Nb3Sn в полях с индукцией примерно 10 Тл можно пропускать ток с плотностью выше 109 А/м2. При час­тотах не более 10 кГц потери в этих материалах носят гистерезис-ный характер и не зависят от формы тока. На частотах 10... 100 Гц кристаллическая плотность переменного тока мало зависит от ча­стоты и по амплитуде приближается к критической плотности по­стоянного тока. К сверхпроводникам III рода относятся в основном сплавы и химические соединения. Высокотемпературные сверхпроводники. В 1986 г. было обнару­жено, что такие вещества, как La2 xMxCu04 (M = Ba, Sr), переходят в сверхпроводящее состояние при температуре, близкой к темпе­ратуре жидкого азота. Позже в сплавах YBa2Cu307 переход в сверх­проводящее состояние происходил при температуре -173°С и выше. Такие вещества, названные высокотемпературными сверхпроводни­ками, обладают структурой типа перовскита (природный минерал CaTi03) и представляют собой керамику с характерным располо­жением атомов. Получают такие материалы в процессе спекания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбонатом бора. Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза изумрудно-зеленого цвета, прозрачная и содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза черного цвета, непрозрачная, содер­жит большее количество меди. Соотношение иттрия, бария и меди в ней 1:2:3. Именно эта фаза и обладает сверхпроводящими свой­ствами. Сверхпроводящие свойства системы Y-Ba-Cu-О зависят от со­отношения двухвалентной и трехвалентной меди Cu2+/Cu3+; изме­няя это соотношение можно регулировать сверхпроводящие свой­ства. Получены сверхпроводники, имеющие температуру перехо­да от -168°С до -163°С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 104 А/см2, что меньше, чем для металлических «тра­диционных» сверхпроводников. Разрабатываются новые материалы, обладающие большей плот­ностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпро­водящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi2Sr2Ca2Cu3Ox, температура перехода которых достигает -158 °С. Сверхпроводниковые материалы получили достаточно широ­кое применение в различных областях науки и техники. Их исполь­зуют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; для изготовления обмоток элек­трических машин и трансформаторов, обладающих малой мас­сой и размерами, но очень высоким КПД, сверхпроводящих ка­белей для мощных линий передачи энергии, волноводов с очень малым затуханием, мощных накопителей электрической энергии, устройств памяти и управления. Эффект Майснера-Оксенфельда, наблюдаемый в сверхпроводниках, используется для создания опор без трения и вращающихся электрических машин с КПД, равным почти 100%. Явление сверхпроводящего подвеса (левита­ции) применяется в гироскопах и в поездах сверхскоростной же­лезной дороги и т.д. Криопроводники. К их числу относятся материалы, которые при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее со­стояние. Это объясняется тем, что при низкой температуре удель­ное сопротивление проводника обусловлено, как правило, наличием примесей и физическими дефектами решетки. Поскольку составляющая удельного сопротивления, обусловленная рассеива­нием энергии за счет тепловых колебаний решетки, пренебрежимо мала, для криопроводников необходимо применять хорошо ото­жженный металл высокой чистоты, который обладает минималь­ным удельным сопротивлением в рабочем диапазоне температур от-240 до-190°С. Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота, самого дешевого хладагента, обладает бериллий. Однако он отличается плохой тех­нологичностью, дорог, высоко­токсичен, особенно в пылевидном состоянии. У бериллия сильно выражен магниторезистивный эффект. Использование алюминия в качестве криопроводящего мате­риала более рационально, так как он более доступен, дешев и имеет низкие значения удельного электрического сопротивления в рабо­чем диапазоне температур. Например, алюминий марки А999, содержащий примесей не более 0,001%, при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более (1...2)-10"6 мкОмм. Криопроводники применяются в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при температурах жидких водорода (-252,6°С), неона (-245,7°С) и азота (-195,6°С).

Сплавы цветных металлов

К цветным металлам относятся металлы с малой плотностью: алюминий, магний и бериллий. Из цветных металлов алюминий имеет наибольшее значение (второе место после железа), что характеризуется объемом производства и невысокой стоимостью.В 1825 г. датчанин Эрстед получил первые крупицы алюминия. Современный мировой объем производства алюминия около 10 млн. т. в год.До 1906 г. алюминий применяли в чистом виде, но в этом году А. Вильм нашел способ упрочнения сплава Al-Cu в результате закалки и старения, а предложенный им сплав (4% Cu, 0,5% Mg, 0,5% Mn) является сейчас самым распространенным алюминиевым сплавом (дюралюминий). Сейчас широкое применение как конструкционный материал имеет не чистый алюминий, а сплавы алюминия, в первую очередь, дюралюминий ввиду его высокой прочности и малой плотности. Наиболее характерные свойства чистого алюминия - небольшая плотность и низкая температура плавления (660 °С). По сравнению с железом, у которого алюминий имеет почти в три раза более низкую плотность, вследствие чего алюминий и его сплавы широко применяют там, где малая плотность и большая удельная прочность имеют важное значение. Благодаря более низкой температуре плавления алюминия по сравнению с железом технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали. Характерные свойства алюминия - высокая пластичность и малая прочность. Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления.Несмотря на большое сродство с кислородом, алюминий подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах весьма слабо, что объясняется образованием плотной пленки Al2O3, защищающей металл от коррозии. Чем чище алюминий и чем он более свободен от различных примесей, тем выше его коррозионная устойчивость.Наиболее чистый алюминий содержит 99,999% Al, а сумма всех примесей составляет не более 0,001%. Его применяют преимущественно для лабораторных опытов. Основные (постоянные) примеси, загрязняющие алюминий, это железо и кремний.Применять алюминий как конструкционный материал из-за низкой прочности нецелесообразно, однако некоторые его свойства - высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность - позволяют эффективно его использовать для других целей. Таким образом, имеются три направления применения технического алюминия: 1) высокая пластичность позволяет производить из алюминия глубокую штамповку, прокатку до тонкой толщины (например, алюминиевая фольга) 2) высокая электропроводность позволяет применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл). Провод из алюминия равной электропроводности легче, чем из меди;3) высокая коррозионная стойкость позволяет широко применять алюминий. Алюминий - химически активный металл, однако начальное окисление приводит к образованию окисной пленки, изолирующей металл от окружающей среды. Это обстоятельство и позволяет считать алюминий коррозионностойким металлом. Алюминий устойчив в органических кислотах (отсюда и широкое применение алюминия в быту, для транспортировки и хранения продуктов питания). В неорганических кислотах алюминий устойчив лишь при их низкой концентрации.

 

2. Постоянные примеси алюминия (железо и кремний) приведена часть диаграммы Al-Fe для сплавов, богатых алюминием. Железо можно считать практически нерастворимым в алюминии. Кремний не образует химических соединений с алюминием. Растворимость алюминия в кремнии очень мала, поэтому можно считать,