Suprajohteet ja kryojohteet
Suprajohteet ja kryojohteet
Tunnetaan 27 puhdasta metallia ja yli tuhat erilaista metalliseosta ja yhdistettä, joissa siirtyminen suprajohtavaan tilaan on mahdollista. Näitä ovat puhtaat metallit, seokset, metallien väliset yhdisteet ja jotkin dielektriset materiaalit.
Suprajohteet
Kun lämpötila laskee metallien ominaissähkövastus laskee ja erittäin alhaisissa (kryogeenisissä) lämpötiloissa metallien sähkönjohtavuus lähestyy absoluuttista nollaa.
Kun vuonna 1911 jäähdytettiin jäätynyt elohopearengas 4,2 K:n lämpötilaan, hollantilainen tiedemies G. Kamerling-Onnes havaitsi, että renkaiden sähkövastus putosi yhtäkkiä hyvin pieneen arvoon, jota ei voitu mitata. Tällainen sähkövastuksen katoaminen, ts. äärettömän johtavuuden esiintymistä materiaalissa kutsutaan suprajohtavuudeksi.
Materiaaleja, jotka pystyvät siirtymään suprajohtavaan tilaan, kun ne jäähdytettiin riittävän alhaiselle lämpötilalle, alettiin kutsua suprajohtimiksi.Kriittistä jäähdytyslämpötilaa, jossa aine siirtyy suprajohtavaan tilaan, kutsutaan suprajohtavaksi siirtymälämpötilaksi tai kriittiseksi siirtymälämpötilaksi Tcr.
Suprajohtava siirtymä on palautuva. Kun lämpötila nousee arvoon Tc, materiaali palaa normaaliin (ei-johtavaan) tilaan.
Suprajohtimien ominaisuus on, että kun sähkövirta on indusoitu suprajohtavaan piiriin, se kiertää pitkään (vuosia) tätä piiriä pitkin ilman, että sen voimakkuus heikkenee merkittävästi ja lisäksi ilman lisäenergian syöttöä ulkopuolelta. Kuten kestomagneetti, tällainen piiri luo ympäröivään tilaan magneettikenttä.
Vuonna 1933 saksalaiset fyysikot V. Meissner ja R. Oxenfeld totesivat, että suprajohteet siirtyessään suprajohtavaan tilaan ovat ihanteellisia diamagneetteja. Siksi ulkoinen magneettikenttä ei läpäise suprajohtavaa kappaletta. Jos materiaalin siirtyminen suprajohtavaan tilaan tapahtuu magneettikentässä, kenttä "työntyy" ulos suprajohteesta.
Tunnetuilla suprajohtimilla on erittäin alhaiset kriittiset siirtymälämpötilat Tc. Siksi laitteiden, joissa ne käyttävät suprajohtimia, on toimittava nestemäisen heliumin jäähdytysolosuhteissa (heliumin nesteytyslämpötila normaalipaineessa on noin 4,2 DA SE). Tämä monimutkaistaa ja lisää suprajohtavien materiaalien valmistus- ja käyttökustannuksia.
Elohopean lisäksi suprajohtavuus on ominaista muille puhtaille metalleille (kemiallisille alkuaineille) ja erilaisille seoksille ja kemiallisille yhdisteille. Useimmissa metalleissa, kuten hopeassa ja kuparissa, tällä hetkellä saavutetut alhaiset lämpötilat kuitenkin muuttuvat suprajohtaviksi, jos tilanne epäonnistuu.
Suprajohtavuusilmiön käyttömahdollisuudet määräytyvät Tc:n suprajohtavaan tilaan siirtymisen lämpötilan ja magneettikentän kriittisen voimakkuuden perusteella.
Suprajohtavat materiaalit jaetaan pehmeisiin ja koviin. Pehmeitä suprajohtimia ovat puhtaat metallit, paitsi niobium, vanadiini ja telluuri. Pehmeiden suprajohteiden suurin haittapuoli on kriittisen magneettikentän voimakkuuden alhainen arvo.
Sähkötekniikassa pehmeitä suprajohtimia ei käytetä, koska niissä suprajohtava tila katoaa jo heikoissa magneettikentissä pienillä virrantiheyksillä.
Kiinteisiin suprajohtimiin kuuluvat seokset, joissa on vääristyneitä kidehiloja. Ne säilyttävät suprajohtavuutensa jopa suhteellisen korkeilla virrantiheyksillä ja voimakkailla magneettikentillä.
Kiinteiden suprajohteiden ominaisuudet löydettiin tämän vuosisadan puolivälissä, ja tähän asti niiden tutkimus- ja käyttöongelma on yksi modernin tieteen ja teknologian tärkeimmistä ongelmista.
Kiinteillä suprajohtimilla on useita toimintoja:
-
jäähdytettäessä siirtyminen suprajohtavaan tilaan ei tapahdu äkillisesti, kuten pehmeissä suprajohtimissa ja tietyllä lämpötilavälillä;
-
joillakin kiinteillä suprajohtimilla ei ole vain suhteellisen korkeat kriittisen siirtymälämpötilan Tc arvot, vaan myös suhteellisen korkeat kriittisen magneettisen induktion arvot Vkr;
-
magneettisen induktion muutoksissa voidaan havaita suprajohtavuuden ja normaalin välisiä välitiloja;
-
niillä on taipumus haihduttaa energiaa, kun ne kuljettavat vaihtovirtaa niiden läpi;
-
Suprajohtavuuden riippuvuutta aiheuttavat ominaisuudet teknisistä tuotantomenetelmistä, materiaalin puhtaudesta ja sen kiderakenteen täydellisyydestä.
Teknisten ominaisuuksien mukaan kiinteät suprajohteet jaetaan seuraaviin tyyppeihin:
-
suhteellisen helposti muotoutuva, josta lanka ja nauhat [niobi, niobi-titaaniseokset (Nb-Ti), vanadiini-gallium (V-Ga)];
-
vaikea muotoilla haurauden vuoksi, josta tuotteet saadaan jauhemetallurgisilla menetelmillä (metallienväliset materiaalit, kuten niobiumstanidi Nb3Sn).
Usein suprajohtavat johdot, jotka on peitetty "stabiloivalla" vaipalla, joka on valmistettu kuparista tai muusta erittäin johtavasta materiaalista sähköä ja metallin lämpö, jonka avulla voidaan välttää suprajohteen perusmateriaalin vaurioituminen vahingossa lämpötilan noustessa.
Joissakin tapauksissa käytetään komposiittisuprajohtavia lankoja, joissa suuri määrä ohuita suprajohtavan materiaalin filamentteja on suljettu kiinteään kuparivaippaan tai muuhun johtamattomaan materiaaliin.
Suprajohtavilla kalvomateriaaleilla on erityisiä ominaisuuksia:
-
kriittinen siirtymälämpötila Tcr ylittää joissakin tapauksissa merkittävästi Tcr-bulkkimateriaalit;
-
suprajohteen läpi kulkevien rajoittavien virtojen suuret arvot;
-
pienempi suprajohtavaan tilaan siirtymisen lämpötila-alue.
Suprajohtimia käytetään luotaessa: sähkökoneet ja muuntajat, joilla on pieni massa ja mitat korkea hyötysuhde; suuret kaapelilinjat voimansiirtoon pitkiä matkoja; erityisesti alhaisen vaimennuksen aaltoputket; ajaa teho- ja muistilaitteita; elektronimikroskooppien magneettilinssit; induktanssikelat painetuilla johdotuksilla.
Perustuen kalvosuprajohteisiin luotiin useita tallennuslaitteita ja automaatioelementtejä ja laskentatekniikkaa.
Suprajohtimien sähkömagneettiset kelat mahdollistavat magneettikentän voimakkuuden maksimiarvojen saamisen.
Kryokoettimet
Jotkut metallit voivat saavuttaa matalissa (kryogeenisissä) lämpötiloissa sähköisen ominaisvastuksen p hyvin pienen arvon, joka on satoja ja tuhansia kertoja pienempi kuin sähkövastus normaalilämpötilassa. Materiaaleja, joilla on nämä ominaisuudet, kutsutaan kryokonduktoreiksi (hyperjohteiksi).
Fyysisesti kryojohtavuusilmiö ei ole samanlainen kuin suprajohtavuus. Kryokonehtimien virrantiheys käyttölämpötiloissa on tuhansia kertoja suurempi kuin niiden virrantiheys normaalilämpötilassa, mikä määrää niiden käytön suurvirtasähkölaitteissa, joille on asetettu korkeat luotettavuus- ja räjähdysturvallisuusvaatimukset.
Kryojohteiden käyttö sähkökoneissa, kaapeleissa jne. on merkittävä etu suprajohtimiin verrattuna.
Jos suprajohtavissa laitteissa käytetään nestemäistä heliumia, kryojohteiden toiminta varmistetaan korkeamman kiehumispisteen ja halpojen kylmäaineiden – nestemäisen vedyn tai jopa nestetypen – ansiosta. Tämä yksinkertaistaa ja vähentää laitteen valmistus- ja käyttökustannuksia. On kuitenkin otettava huomioon tekniset vaikeudet, joita syntyy käytettäessä nestemäistä vetyä muodostaen tietyllä komponenttisuhteella räjähtävän seoksen ilman kanssa.
Kryoprosessoreina käytetään kuparia, alumiinia, hopeaa, kultaa.
Lähdetiedot: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.