Вопрос 32. Сверхпроводники, область применения

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных сплавов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротивление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) температурах приближается к абсолютному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до
температуры 4, 2.К голландский ученый Г. Каммерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ρ кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление бесконечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью.

Материалы, обладающие способностью переходить в сверхпроводящее состояние при их охлаждении до достаточно низкой температуры, стали называть сверхпроводниками.

Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода, или критической температурой перехода Ткр. Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым. При повышении температуры до Ткр материал возвращается в состояние с конечной электропроводностью.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды
наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту, такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее стояние становятся идеальными диамагнетиками, т.е. их магнитная проницаемость μ скачком падает от 1 до 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника.

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры
перехода Ткр, поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении составляет примерно 4, 2 К).

Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым
металлам (химическим элементам) и различным сплавам, и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Ткр и критической напряженности магнитного поля Нкр.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.

К мягким сверхпроводникам относятся чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура.

Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля Нкр.

В радиотехнике мягкие сверхпроводники не применяются, поскольку сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плотностях тока.

К твердым сверхпроводникам относятся сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях.

Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине XX в., и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники.

У твердых сверхпроводников при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала.

Некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Ткр, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр. При изменении магнитной индукции у твердых сверхпроводников могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным.

Твердые сверхпроводники имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока, а также зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники подразделяются на следующие виды:

сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты (ниобий, сплавы ниобий —титан (Nb — Ti), ванадий —галлий (V—Ga));

трудно поддающиеся деформации (из-за хрупкости), из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего электрический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры.

В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную
оболочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства: критическая температура перехода Ткр в ряде случаев значительно превышает Ткр объемных материалов; большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник Iкр; меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводники используют при создании электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств
памяти; магнитных линз электродных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.