Supervodiči i kriovodiči
Supervodiči i kriovodiči
Poznato je 27 čistih metala i više od tisuću različitih legura i spojeva u kojima je moguć prijelaz u supravodljivo stanje. To uključuje čiste metale, legure, intermetalne spojeve i neke dielektrične materijale.
Supervodiči
Kad temperatura padne specifični električni otpor metala opada i pri vrlo niskim (kriogenim) temperaturama, električna vodljivost metala približava se apsolutnoj nuli.
Godine 1911., pri hlađenju prstena smrznute žive na temperaturu od 4,2 K, nizozemski znanstvenik G. Kamerling-Onnes otkrio je da je električni otpor prstenova odjednom pao na vrlo malu vrijednost koja se nije mogla izmjeriti. Takav nestanak električnog otpora, tj. pojava beskonačne vodljivosti u materijalu naziva se supravodljivost.
Materijali sa sposobnošću prelaska u supravodljivo stanje kada se ohlade na dovoljno nisku temperaturnu razinu počeli su se nazivati supravodičima.Kritična temperatura hlađenja pri kojoj dolazi do prijelaza tvari u supravodljivo stanje naziva se temperatura supravodljivog prijelaza ili kritična temperatura prijelaza Tcr.
Supravodljivi prijelaz je reverzibilan. Kada temperatura poraste do Tc, materijal se vraća u svoje normalno (nevodljivo) stanje.
Karakteristika supravodiča je da će električna struja, jednom inducirana u supravodljivom krugu, dugo (godinama) cirkulirati duž tog kruga bez značajnog smanjenja snage i, štoviše, bez dodatnog dovoda energije izvana. Poput trajnog magneta, takav krug stvara u okolnom prostoru magnetsko polje.
Godine 1933. njemački fizičari V. Meissner i R. Oxenfeld ustanovili su da supravodiči pri prijelazu u supravodljivo stanje postaju idealni dijamagneti. Stoga vanjsko magnetsko polje ne prodire kroz supravodljivo tijelo. Ako se prijelaz materijala u supravodljivo stanje dogodi u magnetskom polju, tada se polje "izgura" iz supravodiča.
Poznati supravodiči imaju vrlo niske kritične prijelazne temperature Tc. Stoga uređaji u kojima se koriste supravodiči moraju raditi u uvjetima hlađenja tekućim helijem (temperatura ukapljivanja helija pri normalnom tlaku je oko 4,2 DA SE). To komplicira i povećava troškove proizvodnje i rada supravodljivih materijala.
Osim žive, supravodljivost je svojstvena drugim čistim metalima (kemijskim elementima) te raznim legurama i kemijskim spojevima. Međutim, kod većine metala kao što su srebro i bakar, niske temperature postignute u ovom trenutku postaju supravodljive ako uvjet ne uspije.
Mogućnosti korištenja fenomena supravodljivosti određene su vrijednostima temperature prijelaza u supravodljivo stanje Tc i kritične jakosti magnetskog polja.
Supravodljive materijale dijelimo na meke i tvrde. Meki supravodiči uključuju čiste metale, osim niobija, vanadija, telura. Glavni nedostatak mekih supravodiča je niska vrijednost kritične jakosti magnetskog polja.
U elektrotehnici se meki supravodiči ne koriste, jer supravodljivo stanje u njima nestaje već u slabim magnetskim poljima pri malim gustoćama struje.
Čvrsti supravodiči uključuju legure s iskrivljenom kristalnom rešetkom. Oni zadržavaju supravodljivost čak i pri relativno visokim gustoćama struje i jakim magnetskim poljima.
Svojstva čvrstih supravodiča otkrivena su sredinom ovog stoljeća, a do danas je problem njihovog istraživanja i primjene jedan od najvažnijih problema suvremene znanosti i tehnologije.
Čvrsti supravodiči imaju niz funkcija:
-
pri hlađenju prijelaz u supravodljivo stanje ne događa se naglo, kao kod mekih supravodiča i za određeni temperaturni interval;
-
neki čvrsti supravodiči imaju ne samo relativno visoke vrijednosti kritične prijelazne temperature Tc, već i relativno visoke vrijednosti kritične magnetske indukcije Vkr;
-
u promjenama magnetske indukcije mogu se uočiti međustanja između supravodljivog i normalnog;
-
imaju tendenciju rasipanja energije pri prolasku izmjenične struje kroz njih;
-
ovisnosti o svojstvima supravodljivosti od tehnoloških metoda proizvodnje, čistoće materijala i savršenstva njegove kristalne strukture.
Prema tehnološkim svojstvima čvrsti supravodiči se dijele na sljedeće vrste:
-
relativno lako deformabilne od kojih žice i trake [niobij, legure niobij-titan (Nb-Ti), vanadij-galij (V-Ga)];
-
teško se deformiraju zbog krhkosti, od kojih se proizvodi dobivaju metodama metalurgije praha (intermetalni materijali kao niobijev stanid Nb3Sn).
Često supravodljive žice prekrivene "stabilizirajućim" omotačem od bakra ili drugog visoko vodljivog materijala struja i topline metala, što omogućuje izbjegavanje oštećenja osnovnog materijala supravodiča slučajnim povećanjem temperature.
U nekim se slučajevima koriste kompozitne supravodljive žice u kojima je veliki broj tankih niti supravodljivog materijala zatvoren u čvrsti omotač od bakra ili drugog nevodljivog materijala.
Supravodljivi filmski materijali imaju posebna svojstva:
-
kritična prijelazna temperatura Tcr u nekim slučajevima značajno premašuje Tcr rasutih materijala;
-
velike vrijednosti graničnih struja koje prolaze kroz supravodič;
-
manje temperaturno područje prijelaza u supravodljivo stanje.
Supravodiči se koriste pri izradi: električnih strojeva i transformatora male mase i dimenzija s visokim faktorom učinkovitosti; veliki kabelski vodovi za prijenos električne energije na velike udaljenosti; osobito valovode niske atenuacije; pogoni napajanje i memorijske uređaje; magnetske leće elektronskih mikroskopa; zavojnice induktivnosti s tiskanim ožičenjem.
Na temelju filmskih supravodiča stvoren je niz uređaja za pohranu i elementi automatizacije i računalne tehnologije.
Elektromagnetske zavojnice iz supravodiča omogućuju dobivanje maksimalnih mogućih vrijednosti jakosti magnetskog polja.
Kriosonde
Neki metali mogu doseći na niskim (kriogenim) temperaturama vrlo malu vrijednost specifičnog električnog otpora p, koji je stotinama i tisućama puta manji od električnog otpora na normalnoj temperaturi. Materijali s tim svojstvima nazivaju se kriovodiči (hipervodiči).
Fizički, fenomen kriokonduktivnosti nije sličan fenomenu supravodljivosti. Gustoća struje u kriovodičima pri radnim temperaturama tisućama je puta veća od gustoće struje u njima pri normalnoj temperaturi, što određuje njihovu upotrebu u električnim uređajima velike struje koji podliježu visokim zahtjevima pouzdanosti i sigurnosti od eksplozije.
Primjena kriovodiča u električnim strojevima, kabelima i sl. ima značajnu prednost u odnosu na supravodiče.
Ako se tekući helij koristi u supravodljivim uređajima, rad kriovodiča je osiguran zbog višeg vrelišta i jeftinih rashladnih sredstava - tekućeg vodika ili čak tekućeg dušika. To pojednostavljuje i smanjuje troškove proizvodnje i rada uređaja. Međutim, potrebno je uzeti u obzir tehničke poteškoće koje nastaju pri uporabi tekućeg vodika, stvarajući, pri određenom omjeru komponenata, eksplozivnu smjesu sa zrakom.
Kao krioprocesori koriste bakar, aluminij, srebro, zlato.
Izvor informacija: "Elektromaterijali" Zhuravleva L. V.