Supergeleiders en cryogeleiders
Supergeleiders en cryogeleiders
Bekend 27 zuivere metalen en meer dan duizend verschillende legeringen en verbindingen waarin een overgang naar een supergeleidende toestand mogelijk is. Deze omvatten zuivere metalen, legeringen, intermetallische verbindingen en sommige diëlektrische materialen.
Supergeleiders
Als de temperatuur daalt specifieke elektrische weerstand van metalen afneemt en bij zeer lage (cryogene) temperaturen nadert de elektrische geleidbaarheid van metalen het absolute nulpunt.
In 1911, toen de Nederlandse wetenschapper G. Kamerling-Onnes een ring van bevroren kwik afkoelde tot een temperatuur van 4,2 K, ontdekte hij dat de elektrische weerstand van de ringen plotseling daalde tot een zeer kleine waarde die niet gemeten kon worden. Een dergelijke verdwijning van elektrische weerstand, d.w.z. het verschijnen van oneindige geleidbaarheid in een materiaal wordt supergeleiding genoemd.
Materialen met het vermogen om in een supergeleidende toestand over te gaan wanneer ze worden afgekoeld tot een voldoende laag temperatuurniveau, werden supergeleiders genoemd.De kritische koeltemperatuur waarbij materie overgaat in een supergeleidende toestand wordt de supergeleidende overgangstemperatuur of kritische overgangstemperatuur Tcr genoemd.
Een supergeleidende overgang is omkeerbaar. Wanneer de temperatuur stijgt tot Tc, keert het materiaal terug naar zijn normale (niet-geleidende) toestand.
Een kenmerk van supergeleiders is dat eenmaal geïnduceerd in een supergeleidende schakeling, de elektrische stroom lange tijd (jaren) langs deze schakeling zal circuleren zonder noemenswaardige vermindering van de sterkte ervan en bovendien zonder extra toevoer van energie van buitenaf. Als een permanente magneet ontstaat zo'n circuit in de omringende ruimte magnetisch veld.
In 1933 stelden de Duitse natuurkundigen V. Meissner en R. Oxenfeld vast dat supergeleiders tijdens de overgang naar de supergeleidende toestand ideale diamagneten worden. Daarom dringt het externe magnetische veld niet door een supergeleidend lichaam. Als de overgang van het materiaal naar een supergeleidende toestand plaatsvindt in een magnetisch veld, dan wordt het veld uit de supergeleider "geduwd".
Bekende supergeleiders hebben zeer lage kritische overgangstemperaturen Tc. Daarom moeten apparaten waarin ze supergeleiders gebruiken, werken onder koelomstandigheden met vloeibaar helium (de vloeibaarmakingstemperatuur van helium bij normale druk is ongeveer 4,2 DA SE). Dit compliceert en verhoogt de kosten van het vervaardigen en gebruiken van supergeleidende materialen.
Naast kwik is supergeleiding inherent aan andere zuivere metalen (chemische elementen) en verschillende legeringen en chemische verbindingen. Bij de meeste metalen, zoals zilver en koper, worden de lage temperaturen die op dit moment worden bereikt echter supergeleidend als de toestand faalt.
Mogelijkheden om het fenomeen supergeleiding te gebruiken, worden bepaald door de waarden van de temperatuur van de overgang naar de supergeleidende toestand van Tc en de kritische sterkte van het magnetische veld.
Supergeleidende materialen verdeeld in zacht en hard. Zachte supergeleiders omvatten pure metalen, behalve niobium, vanadium, tellurium. Het grootste nadeel van zachte supergeleiders is de lage waarde van de kritische magnetische veldsterkte.
In de elektrotechniek worden zachte supergeleiders niet gebruikt, omdat de supergeleidende toestand daarin al verdwijnt in zwakke magnetische velden bij lage stroomdichtheden.
Vaste supergeleiders omvatten legeringen met vervormde kristalroosters. Ze behouden hun supergeleiding, zelfs bij relatief hoge stroomdichtheden en sterke magnetische velden.
Eigenschappen van vaste supergeleiders werden ontdekt in het midden van deze eeuw, en tot nu toe is het probleem van hun onderzoek en toepassing een van de belangrijkste problemen van de moderne wetenschap en technologie.
Vaste supergeleiders hebben een aantal functies:
-
bij afkoeling vindt de overgang naar de supergeleidende toestand niet abrupt plaats, zoals bij zachte supergeleiders en gedurende een bepaald temperatuurinterval;
-
sommige vaste supergeleiders hebben niet alleen relatief hoge waarden kritische overgangstemperatuur Tc, maar ook relatief hoge waarden kritische magnetische inductie Vkr;
-
bij veranderingen in magnetische inductie kunnen tussentoestanden tussen supergeleidend en normaal worden waargenomen;
-
de neiging hebben om energie te dissiperen wanneer er wisselstroom doorheen gaat;
-
verslavende eigenschappen van supergeleiding door technologische productiemethoden, materiële zuiverheid en de perfectie van de kristalstructuur.
Volgens technologische eigenschappen zijn vaste supergeleiders onderverdeeld in de volgende typen:
-
relatief gemakkelijk vervormbaar waarvan draad en strips [niobium, niobium-titaniumlegeringen (Nb-Ti), vanadium-gallium (V-Ga)];
-
moeilijk te vervormen vanwege breekbaarheid, waaruit producten worden verkregen door poedermetallurgiemethoden (intermetallische materialen zoals niobiumstanide Nb3Sn).
Vaak supergeleidende draden bedekt met een "stabiliserende" mantel van koper of ander sterk geleidend materiaal elektriciteit en de hitte van het metaal, waardoor schade aan het basismateriaal van de supergeleider door een onbedoelde temperatuurstijging kan worden voorkomen.
In sommige gevallen worden samengestelde supergeleidende draden gebruikt, waarin een groot aantal dunne filamenten van supergeleidend materiaal zijn ingesloten in een stevige mantel van koper of ander niet-geleidend materiaal.
Supergeleidende filmmaterialen hebben speciale eigenschappen:
-
kritische overgangstemperatuur Tcr is in sommige gevallen aanzienlijk hoger dan Tcr bulkmaterialen;
-
grote waarden van de beperkende stromen die door de supergeleider gaan;
-
minder temperatuurbereik van de overgang naar de supergeleidende toestand.
Supergeleiders worden gebruikt bij het maken van: elektrische machines en transformatoren met een kleine massa en afmetingen met een hoge efficiëntiefactor; grote kabellijnen voor krachtoverbrenging over lange afstanden; golfgeleiders met bijzonder lage demping; drijft stroom- en geheugenapparaten aan; magnetische lenzen van elektronenmicroscopen; inductiespoelen met gedrukte bedrading.
Op basis van filmsupergeleiders ontstonden een aantal opslagapparaten en automatiseringselementen en computertechnologie.
Elektromagnetische spoelen van supergeleiders maken het mogelijk om de maximaal mogelijke waarden van magnetische veldsterkte te verkrijgen.
Cryoprobes
Sommige metalen kunnen bij lage (cryogene) temperaturen een zeer kleine waarde van de specifieke elektrische weerstand p bereiken, die honderden en duizenden malen lager is dan de elektrische weerstand bij normale temperatuur. Materialen met deze eigenschappen worden cryogeleiders (hypergeleiders) genoemd.
Fysiek is het fenomeen van cryogeleiding niet vergelijkbaar met het fenomeen van supergeleiding. De stroomdichtheid in cryogeleiders bij bedrijfstemperaturen is duizenden keren hoger dan de stroomdichtheid daarin bij normale temperatuur, wat hun gebruik bepaalt in elektrische apparaten met hoge stroomsterkte die onderhevig zijn aan hoge eisen aan betrouwbaarheid en explosieveiligheid.
Toepassing van cryogeleiders in elektrische machines, kabels, etc. heeft een aanzienlijk voordeel ten opzichte van supergeleiders.
Als vloeibaar helium wordt gebruikt in supergeleidende apparaten, is de werking van cryogeleiders verzekerd vanwege het hogere kookpunt en goedkope koelmiddelen - vloeibare waterstof of zelfs vloeibare stikstof. Dit vereenvoudigt en vermindert de kosten van vervaardiging en bediening van de inrichting. Er moet echter rekening worden gehouden met technische problemen die optreden bij het gebruik van vloeibare waterstof, waarbij bij een bepaalde verhouding van componenten een explosief mengsel met lucht wordt gevormd.
Omdat cryoprocessors koper, aluminium, zilver, goud gebruiken.
Broninformatie: "Electromaterialen" Zhuravleva L. V.