Superconductors i crioconductors

Superconductors i crioconductors

Es coneixen 27 metalls purs i més d'un miler d'aliatges i compostos diferents en els quals és possible una transició a un estat superconductor. Aquests inclouen metalls purs, aliatges, compostos intermetàl·lics i alguns materials dielèctrics.

Superconductors

Quan la temperatura baixa Resistència elèctrica específica dels metalls disminueix i a temperatures molt baixes (criogèniques), la conductivitat elèctrica dels metalls s'acosta al zero absolut.

L'any 1911, en refredar un anell de mercuri congelat a una temperatura de 4,2 K, el científic holandès G. Kamerling-Onnes va trobar que la resistència elèctrica dels anells baixava de cop a un valor molt petit que no es podia mesurar. Aquesta desaparició de la resistència elèctrica, és a dir. l'aparició de conductivitat infinita en un material s'anomena superconductivitat.

Els materials amb la capacitat de passar a un estat superconductor quan es refreden a un nivell de temperatura prou baix es van començar a anomenar superconductors.La temperatura de refredament crítica a la qual hi ha una transició de la matèria a un estat superconductor s'anomena temperatura de transició superconductora o temperatura de transició crítica Tcr.

Una transició superconductora és reversible. Quan la temperatura puja a Tc, el material torna al seu estat normal (no conductor).

Una característica dels superconductors és que un cop induït en un circuit superconductor, el corrent elèctric circularà durant molt de temps (anys) per aquest circuit sense una reducció apreciable de la seva força i, a més, sense un subministrament addicional d'energia de l'exterior. Com un imant permanent, aquest circuit es crea a l'espai circumdant camp magnètic.

L'any 1933, els físics alemanys V. Meissner i R. Oxenfeld van establir que els superconductors durant la transició a l'estat superconductor esdevenen diamamants ideals. Per tant, el camp magnètic extern no penetra en un cos superconductor. Si la transició del material a un estat superconductor es produeix en un camp magnètic, llavors el camp és "empenyat" fora del superconductor.

Els superconductors coneguts tenen temperatures de transició crítiques molt baixes Tc. Per tant, els dispositius en què utilitzen superconductors han de funcionar en condicions de refrigeració d'heli líquid (la temperatura de liqüefacció de l'heli a pressió normal és d'uns 4,2 DA SE). Això complica i augmenta el cost de fabricació i operació de materials superconductors.

A més del mercuri, la superconductivitat és inherent a altres metalls purs (elements químics) i diversos aliatges i compostos químics. No obstant això, a la majoria de metalls com la plata i el coure, les baixes temperatures aconseguides en aquest moment esdevenen superconductores si la condició falla.

Les possibilitats d'utilitzar el fenomen de la superconductivitat estan determinades pels valors de la temperatura de transició a l'estat superconductor de Tc i la força crítica del camp magnètic.

Materials superconductors dividits en tous i durs. Els superconductors tous inclouen metalls purs, excepte niobi, vanadi i tel·luri. El principal desavantatge dels superconductors tous és el baix valor de la força del camp magnètic crític.

En enginyeria elèctrica, no s'utilitzen superconductors tous, perquè l'estat superconductor en ells desapareix ja en camps magnètics febles a baixes densitats de corrent.

Els superconductors sòlids inclouen aliatges amb xarxes cristal·lines distorsionades. Retenen la superconductivitat fins i tot a densitats de corrent relativament altes i camps magnètics forts.

Les propietats dels superconductors sòlids es van descobrir a mitjans d'aquest segle, i fins ara el problema de la seva investigació i aplicació és un dels problemes més importants de la ciència i la tecnologia modernes.

Els superconductors sòlids tenen una sèrie de funcions:

• en refredar, la transició a l'estat superconductor no es produeix bruscament, com en els superconductors tous i durant un interval de temperatura determinat;

• alguns dels superconductors sòlids no només tenen valors relativament alts de temperatura crítica de transició Tc, sinó també valors relativament alts d'inducció magnètica crítica Vkr;

• en els canvis en la inducció magnètica, es poden observar estats intermedis entre superconductor i normal;

• tenen tendència a dissipar energia en passar corrent altern per ells;

• propietats addictives de la superconductivitat dels mètodes tecnològics de producció, la puresa del material i la perfecció de la seva estructura cristal·lina.

Segons les propietats tecnològiques, els superconductors sòlids es divideixen en els següents tipus:

• deformable relativament fàcilment dels quals filferro i tires [niobi, aliatges de niobi-titani (Nb-Ti), vanadi-galli (V-Ga)];

• difícil de deformar a causa de la fragilitat, de la qual s'obtenen productes mitjançant mètodes de metal·lúrgia en pols (materials intermetàl·lics com l'estánid de niobi Nb3Sn).

Sovint cables superconductors coberts amb una funda "estabilitzadora" feta de coure o un altre material altament conductor electricitat i la calor del metall, que permet evitar danyar el material base del superconductor amb un augment accidental de la temperatura.

En alguns casos, s'utilitzen cables superconductors compostos, en els quals un gran nombre de filaments prims de material superconductor estan tancats en una funda sòlida de coure o un altre material no conductor.

Els materials de pel·lícula superconductora tenen propietats especials:

• la temperatura de transició crítica Tcr en alguns casos supera significativament els materials a granel de Tcr;

• grans valors dels corrents límit que passen pel superconductor;

• menor rang de temperatura de la transició a l'estat superconductor.

Els superconductors s'utilitzen a l'hora de crear: màquines elèctriques i transformadors de petita massa i dimensions amb un alt factor d'eficiència; grans línies de cable per a la transmissió d'energia a llargues distàncies; guies d'ones de baixa atenuació especialment; unitats de potència i dispositius de memòria; lents magnètiques de microscopis electrònics; bobines d'inductància amb cablejat imprès.

Sobre la base de la pel·lícula superconductors van crear una sèrie de dispositius d'emmagatzematge i elements d'automatització i tecnologia informàtica.

Les bobines electromagnètiques dels superconductors permeten obtenir els màxims valors possibles de la intensitat del camp magnètic.

Criosondes

Alguns metalls poden assolir a temperatures baixes (criogèniques) un valor molt petit de la resistència elèctrica específica p, que és centenars i milers de vegades menor que la resistència elèctrica a temperatura normal. Els materials amb aquestes propietats s'anomenen crioconductors (hiperconductors).

Físicament, el fenomen de la crioconductivitat no és similar al fenomen de la superconductivitat. La densitat de corrent en crioconductors a temperatures de funcionament és milers de vegades superior a la densitat de corrent en ells a temperatura normal, la qual cosa determina el seu ús en dispositius elèctrics d'alta intensitat que estan subjectes a alts requisits de fiabilitat i seguretat contra les explosions.

Aplicació de crioconductors en màquines elèctriques, cables, etc. té un avantatge important sobre els superconductors.

Si s'utilitza heli líquid en dispositius superconductors, el funcionament dels crioconductors està garantit a causa del punt d'ebullició més alt i dels refrigerants barats: hidrogen líquid o fins i tot nitrogen líquid. Això simplifica i redueix el cost de fabricació i funcionament del dispositiu. No obstant això, cal tenir en compte les dificultats tècniques que sorgeixen quan s'utilitza hidrogen líquid, formant, en una determinada proporció de components, una barreja explosiva amb l'aire.

Com a crioprocessadors utilitzen coure, alumini, plata, or.

Font d'informació: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.