Supravodiče a kryovodiče
Supravodiče a kryovodiče
Známych 27 čistých kovov a viac ako tisíc rôznych zliatin a zlúčenín, v ktorých je možný prechod do supravodivého stavu. Patria sem čisté kovy, zliatiny, intermetalické zlúčeniny a niektoré dielektrické materiály.
Supravodiče
Keď teplota klesne špecifický elektrický odpor kovov klesá a pri veľmi nízkych (kryogénnych) teplotách sa elektrická vodivosť kovov blíži k absolútnej nule.
V roku 1911 holandský vedec G. Kamerling-Onnes pri ochladzovaní prstenca zmrznutej ortuti na teplotu 4,2 K zistil, že elektrický odpor prstencov náhle klesol na veľmi malú hodnotu, ktorú nebolo možné zmerať. Takéto vymiznutie elektrického odporu, t.j. vzhľad nekonečnej vodivosti v materiáli sa nazýva supravodivosť.
Materiály so schopnosťou prejsť do supravodivého stavu pri ochladení na dostatočne nízku teplotnú úroveň sa začali nazývať supravodiče.Kritická teplota chladenia, pri ktorej dochádza k prechodu hmoty do supravodivého stavu, sa nazýva teplota supravodivého prechodu alebo kritická teplota prechodu Tcr.
Supravodivý prechod je reverzibilný. Keď teplota stúpne na Tc, materiál sa vráti do normálneho (nevodivého) stavu.
Charakteristickým znakom supravodičov je, že po indukcii v supravodičovom obvode bude elektrický prúd cirkulovať dlhú dobu (roky) týmto obvodom bez citeľného zníženia jeho sily a navyše bez dodatočného prísunu energie zvonku. Ako permanentný magnet sa takýto obvod vytvára v okolitom priestore magnetické pole.
V roku 1933 nemeckí fyzici V. Meissner a R. Oxenfeld zistili, že supravodiče sa pri prechode do supravodivého stavu stávajú ideálnymi diamagnetmi. Vonkajšie magnetické pole preto nepreniká do supravodivého telesa. Ak k prechodu materiálu do supravodivého stavu dôjde v magnetickom poli, tak sa pole „vytlačí“ zo supravodiča.
Známe supravodiče majú veľmi nízke kritické prechodové teploty Tc. Preto zariadenia, v ktorých používajú supravodiče, musia pracovať v podmienkach chladenia kvapalným héliom (teplota skvapalňovania hélia pri normálnom tlaku je asi 4,2 DA SE). To komplikuje a zvyšuje náklady na výrobu a prevádzku supravodivých materiálov.
Okrem ortuti je supravodivosť súčasťou iných čistých kovov (chemických prvkov) a rôznych zliatin a chemických zlúčenín. Avšak pri väčšine kovov, ako je striebro a meď, sa v súčasnosti dosiahnuté nízke teploty stanú supravodivými, ak podmienka zlyhá.
Možnosti využitia fenoménu supravodivosti sú určené hodnotami teploty prechodu do supravodivého stavu Tc a kritickou silou magnetického poľa.
Supravodivé materiály rozdelené na mäkké a tvrdé. Mäkké supravodiče zahŕňajú čisté kovy, okrem nióbu, vanádu, telúru. Hlavnou nevýhodou mäkkých supravodičov je nízka hodnota kritickej intenzity magnetického poľa.
V elektrotechnike sa mäkké supravodiče nepoužívajú, pretože supravodivý stav v nich zaniká už v slabých magnetických poliach pri nízkych prúdových hustotách.
Medzi tuhé supravodiče patria zliatiny s deformovanými kryštálovými mriežkami. Zachovávajú si supravodivosť aj pri relatívne vysokých prúdových hustotách a silných magnetických poliach.
Vlastnosti pevných supravodičov boli objavené v polovici tohto storočia a doteraz je problém ich výskumu a aplikácie jedným z najdôležitejších problémov modernej vedy a techniky.
Pevné supravodiče majú niekoľko funkcií:
-
pri ochladzovaní nenastáva prechod do supravodivého stavu náhle, ako v mäkkých supravodičoch a pre určitý teplotný interval;
-
niektoré pevné supravodiče majú nielen relatívne vysoké hodnoty kritickej teploty prechodu Tc, ale aj relatívne vysoké hodnoty kritickej magnetickej indukcie Vkr;
-
pri zmenách magnetickej indukcie možno pozorovať medzistavy medzi supravodivým a normálnym stavom;
-
majú tendenciu rozptyľovať energiu pri prechode striedavého prúdu cez ne;
-
návykové vlastnosti supravodivosti od technologických spôsobov výroby, čistoty materiálu a dokonalosti jeho kryštálovej štruktúry.
Podľa technologických vlastností sú pevné supravodiče rozdelené do nasledujúcich typov:
-
pomerne ľahko deformovateľné, z toho drôty a pásy [niób, zliatiny nióbu a titánu (Nb-Ti), vanád-gálium (V-Ga)];
-
ťažko deformovateľné kvôli krehkosti, z ktorých sa získavajú produkty metódami práškovej metalurgie (intermetalické materiály ako nióbový stanid Nb3Sn).
Často supravodivé drôty pokryté "stabilizačným" plášťom vyrobeným z medi alebo iného vysoko vodivého materiálu elektriny a teplo kovu, čo umožňuje vyhnúť sa poškodeniu základného materiálu supravodiča náhodným zvýšením teploty.
V niektorých prípadoch sa používajú kompozitné supravodivé drôty, v ktorých je veľké množstvo tenkých vlákien zo supravodivého materiálu uzavreté v pevnom plášti z medi alebo iného nevodivého materiálu.
Supravodivé filmové materiály majú špeciálne vlastnosti:
-
kritická teplota prechodu Tcr v niektorých prípadoch výrazne prevyšuje sypké materiály Tcr;
-
veľké hodnoty obmedzujúcich prúdov prechádzajúcich cez supravodič;
-
menší teplotný rozsah prechodu do supravodivého stavu.
Supravodiče sa používajú pri vytváraní: elektrických strojov a transformátorov s malou hmotnosťou a rozmermi s vysokým faktorom účinnosti; veľké káblové vedenia na prenos energie na veľké vzdialenosti; najmä vlnovody s nízkym útlmom; poháňa napájacie a pamäťové zariadenia; magnetické šošovky elektrónových mikroskopov; indukčné cievky s plošnými spojmi.
Na základe filmových supravodičov vzniklo množstvo pamäťových zariadení a automatizačné prvky a výpočtovej techniky.
Elektromagnetické cievky zo supravodičov umožňujú získať maximálne možné hodnoty intenzity magnetického poľa.
Kryosondy
Niektoré kovy môžu dosahovať pri nízkych (kryogénnych) teplotách veľmi malú hodnotu špecifického elektrického odporu p, ktorá je stokrát a tisíckrát menšia ako elektrický odpor pri normálnej teplote. Materiály s týmito vlastnosťami sa nazývajú kryovodiče (hypervodiče).
Fyzikálne fenomén kryovodivosti nie je podobný fenoménu supravodivosti. Prúdová hustota v kryovodičoch pri prevádzkových teplotách je tisíckrát vyššia ako prúdová hustota v nich pri normálnej teplote, čo predurčuje ich použitie v silnoprúdových elektrických zariadeniach, na ktoré sa kladú vysoké požiadavky na spoľahlivosť a bezpečnosť pri výbuchu.
Aplikácia kryovodičov v elektrických strojoch, kábloch atď. má oproti supravodičom značnú výhodu.
Ak sa v supravodivých zariadeniach používa tekuté hélium, prevádzka kryovodičov je zabezpečená vďaka vyššiemu bodu varu a lacným chladivám — tekutému vodíku alebo aj tekutému dusíku. To zjednodušuje a znižuje náklady na výrobu a prevádzku zariadenia. Je však potrebné vziať do úvahy technické ťažkosti, ktoré vznikajú pri použití kvapalného vodíka, pri vytváraní výbušnej zmesi so vzduchom pri určitom pomere zložiek.
Ako kryoprocesory používajú meď, hliník, striebro, zlato.
Informácie o zdroji: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.