Superledere og kryoledere
Superledere og kryoledere
Kendte 27 rene metaller og mere end tusind forskellige legeringer og forbindelser, hvor en overgang til en superledende tilstand er mulig. Disse omfatter rene metaller, legeringer, intermetalliske forbindelser og nogle dielektriske materialer.
Superledere
Når temperaturen falder specifik elektrisk modstand af metaller falder, og ved meget lave (kryogene) temperaturer nærmer den elektriske ledningsevne af metaller sig det absolutte nul.
I 1911, da den nedkølede en ring af frosset kviksølv til en temperatur på 4,2 K, fandt den hollandske videnskabsmand G. Kamerling-Onnes ud af, at ringenes elektriske modstand pludselig faldt til en meget lille værdi, som ikke kunne måles. En sådan forsvinden af elektrisk modstand, dvs. udseendet af uendelig ledningsevne i et materiale kaldes superledning.
Materialer med evnen til at gå over i en superledende tilstand, når de afkøles til et tilstrækkeligt lavt temperaturniveau, begyndte at blive kaldt superledere.Den kritiske køletemperatur, ved hvilken der er en overgang af stof til en superledende tilstand, kaldes den superledende overgangstemperatur eller kritiske overgangstemperatur Tcr.
En superledende overgang er reversibel. Når temperaturen stiger til Tc, vender materialet tilbage til sin normale (ikke-ledende) tilstand.
Et kendetegn ved superledere er, at når den først er induceret i et superledende kredsløb, vil den elektriske strøm cirkulere i lang tid (år) langs dette kredsløb uden nævneværdig reduktion i dets styrke og desuden uden yderligere tilførsel af energi udefra. Som en permanent magnet skaber et sådant kredsløb i det omgivende rum magnetfelt.
I 1933 slog de tyske fysikere V. Meissner og R. Oxenfeld fast, at superledere under overgangen til den superledende tilstand bliver ideelle diamagneter. Derfor trænger det ydre magnetfelt ikke ind i et superledende legeme. Hvis overgangen af materialet til en superledende tilstand sker i et magnetfelt, så "skubbes" feltet ud af superlederen.
Kendte superledere har meget lave kritiske overgangstemperaturer Tc. Derfor skal enheder, hvori de bruger superledere, fungere under køleforhold med flydende helium (heliums flydende temperatur ved normalt tryk er ca. 4,2 DA SE). Dette komplicerer og øger omkostningerne ved fremstilling og drift af superledende materialer.
Udover kviksølv er superledning iboende i andre rene metaller (kemiske grundstoffer) og forskellige legeringer og kemiske forbindelser. Men ved de fleste metaller som sølv og kobber bliver de lave temperaturer, der nås i øjeblikket, superledende, hvis tilstanden svigter.
Mulighederne for at bruge fænomenet superledning bestemmes af værdierne for temperaturen af overgangen til den superledende tilstand af Tc og den kritiske styrke af magnetfeltet.
Superledende materialer opdelt i blødt og hårdt. Bløde superledere omfatter rene metaller, undtagen niobium, vanadium, tellur. Den største ulempe ved bløde superledere er den lave værdi af den kritiske magnetiske feltstyrke.
I elektroteknik bruges bløde superledere ikke, fordi den superledende tilstand i dem forsvinder allerede i svage magnetfelter ved lave strømtætheder.
Solide superledere omfatter legeringer med forvrænget krystalgitter. De bevarer superledning selv ved relativt høje strømtætheder og stærke magnetfelter.
Egenskaber ved faste superledere blev opdaget i midten af dette århundrede, og indtil nu er problemet med deres forskning og anvendelse et af de vigtigste problemer i moderne videnskab og teknologi.
Solide superledere har en række funktioner:
-
ved afkøling sker overgangen til superledende tilstand ikke brat, som i bløde superledere og i et vist temperaturinterval;
-
nogle af faste superledere har ikke kun relativt høje værdier kritisk overgangstemperatur Tc, men også relativt høje værdier kritisk magnetisk induktion Vkr;
-
i ændringer i magnetisk induktion kan der observeres mellemtilstande mellem superledende og normal;
-
har en tendens til at sprede energi, når de passerer vekselstrøm gennem dem;
-
vanedannende egenskaber af superledning fra teknologiske metoder til produktion, materiale renhed og perfektion af dens krystalstruktur.
Ifølge teknologiske egenskaber er faste superledere opdelt i følgende typer:
-
relativt let deformerbare af hvilke tråde og bånd [niobium, niobium-titanium-legeringer (Nb-Ti), vanadium-gallium (V-Ga)];
-
vanskelig at deformere på grund af skrøbelighed, hvorfra produkter opnås ved pulvermetallurgiske metoder (intermetalliske materialer såsom niobiumstanid Nb3Sn).
Ofte superledende ledninger dækket med en "stabiliserende" kappe lavet af kobber eller andet stærkt ledende materiale elektricitet og metallets varme, hvilket gør det muligt at undgå at beskadige superlederens basismateriale med en utilsigtet temperaturstigning.
I nogle tilfælde anvendes sammensatte superledende ledninger, hvor et stort antal tynde filamenter af superledende materiale er indesluttet i en solid kappe af kobber eller andet ikke-ledende materiale.
Superledende filmmaterialer har særlige egenskaber:
-
kritisk overgangstemperatur Tcr overstiger i nogle tilfælde væsentligt Tcr bulkmaterialer;
-
store værdier af de begrænsende strømme passeret gennem superlederen;
-
mindre temperaturområde for overgangen til den superledende tilstand.
Superledere bruges til at skabe: elektriske maskiner og transformere med lille masse og dimensioner med en høj effektivitetsfaktor; store kabelledninger til kraftoverførsel over lange afstande; især lav dæmpning bølgeledere; drev strøm og hukommelsesenheder; magnetiske linser af elektronmikroskoper; induktansspoler med trykte ledninger.
Baseret på film superledere skabt en række lagerenheder og automatiseringselementer og computerteknologi.
Elektromagnetiske spoler fra superledere gør det muligt at opnå de maksimalt mulige værdier af magnetisk feltstyrke.
Kryoprober
Nogle metaller kan ved lave (kryogene) temperaturer nå en meget lille værdi af den specifikke elektriske modstand p, som er hundreder og tusinder af gange mindre end den elektriske modstand ved normal temperatur. Materialer med disse egenskaber kaldes kryoledere (hyperledere).
Fysisk ligner fænomenet kryokonduktivitet ikke fænomenet superledning. Strømtæthed i kryoledere ved driftstemperaturer er tusindvis af gange højere end strømtætheden i dem ved normal temperatur, hvilket bestemmer deres anvendelse i højstrøms elektriske enheder, der er underlagt høje krav til pålidelighed og eksplosionssikkerhed.
Anvendelse af kryoledere i elektriske maskiner, kabler mv. har en betydelig fordel i forhold til superledere.
Hvis flydende helium bruges i superledende enheder, er driften af kryoledere sikret på grund af det højere kogepunkt og billige kølemidler - flydende brint eller endda flydende nitrogen. Dette forenkler og reducerer omkostningerne ved fremstilling og drift af enheden. Det er dog nødvendigt at overveje tekniske vanskeligheder, der opstår ved brug af flydende brint, der ved et bestemt forhold mellem komponenter danner en eksplosiv blanding med luft.
Som kryoprocessorer bruger kobber, aluminium, sølv, guld.
Kildeinformation: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.