Superlaidininkai ir kriolaidininkai
Superlaidininkai ir kriolaidininkai
Žinomi 27 gryni metalai ir daugiau nei tūkstantis įvairių lydinių bei junginių, kuriuose galimas perėjimas į superlaidžią būseną. Tai gryni metalai, lydiniai, intermetaliniai junginiai ir kai kurios dielektrinės medžiagos.
Superlaidininkai
Kai temperatūra nukrenta savitoji metalų elektrinė varža mažėja ir esant labai žemai (kriogeninei) temperatūrai metalų elektrinis laidumas artėja prie absoliutaus nulio.
1911 m., aušinant sušalusio gyvsidabrio žiedą iki 4,2 K temperatūros, olandų mokslininkas G. Kamerling-Onnes nustatė, kad žiedų elektrinė varža staiga sumažėjo iki labai mažos vertės, kurios negalima išmatuoti. Toks elektrinės varžos išnykimas, t.y. begalinio laidumo atsiradimas medžiagoje vadinamas superlaidumu.
Medžiagos, turinčios galimybę pereiti į superlaidžią būseną, atvėsusios iki pakankamai žemos temperatūros, pradėtos vadinti superlaidininkais.Kritinė aušinimo temperatūra, kuriai esant medžiaga pereina į superlaidžią būseną, vadinama superlaidžio pereinamojo laikotarpio temperatūra arba kritine perėjimo temperatūra Tcr.
Superlaidus perėjimas yra grįžtamas. Kai temperatūra pakyla iki Tc, medžiaga grįžta į normalią (nelaidžią) būseną.
Superlaidininkų charakteristika yra ta, kad indukuota superlaidžioje grandinėje elektros srovė ilgą laiką (metus) cirkuliuos per šią grandinę, žymiai nesumažindama jos stiprumo ir, be to, be papildomo energijos tiekimo iš išorės. Kaip nuolatinis magnetas, tokia grandinė sukuria aplinkinėje erdvėje magnetinis laukas.
1933 metais vokiečių fizikai V. Meissneris ir R. Oxenfeldas nustatė, kad superlaidininkai pereinant į superlaidžią būseną tampa idealiais diamagnetais. Todėl išorinis magnetinis laukas neprasiskverbia į superlaidų kūną. Jeigu medžiagos perėjimas į superlaidžią būseną vyksta magnetiniame lauke, tai laukas „išstumiamas“ iš superlaidininko.
Žinomi superlaidininkai turi labai žemas kritines perėjimo temperatūras Tc. Todėl prietaisai, kuriuose jie naudoja superlaidininkus, turi veikti skysto helio aušinimo sąlygomis (helio suskystinimo temperatūra esant normaliam slėgiui yra apie 4,2 DA SE). Tai apsunkina ir padidina superlaidžių medžiagų gamybos ir eksploatavimo sąnaudas.
Be gyvsidabrio, superlaidumas būdingas kitiems gryniems metalams (cheminiams elementams) ir įvairiems lydiniams bei cheminiams junginiams. Tačiau daugumoje metalų, tokių kaip sidabras ir varis, šiuo metu pasiekiama žema temperatūra tampa superlaidžia, jei sąlyga nepavyksta.
Superlaidumo reiškinio panaudojimo galimybes lemia perėjimo į superlaidžią Tc būseną temperatūros reikšmės ir kritinis magnetinio lauko stiprumas.
Superlaidžios medžiagos skirstomos į minkštąsias ir kietąsias. Minkštiesiems superlaidininkams priskiriami gryni metalai, išskyrus niobį, vanadį, telūrą. Pagrindinis minkštųjų superlaidininkų trūkumas yra maža kritinio magnetinio lauko stiprumo vertė.
Elektrotechnikoje minkštieji superlaidininkai nenaudojami, nes superlaidumo būsena juose išnyksta jau esant silpniems magnetiniams laukams esant mažam srovės tankiui.
Kietieji superlaidininkai apima lydinius su iškreiptomis kristalinėmis gardelėmis. Jie išlaiko superlaidumą net esant santykinai dideliam srovės tankiui ir stipriam magnetiniam laukui.
Kietųjų superlaidininkų savybės buvo atrastos šio amžiaus viduryje, o iki šiol jų tyrimo ir taikymo problema yra viena svarbiausių šiuolaikinio mokslo ir technikos problemų.
Kietieji superlaidininkai atlieka keletą funkcijų:
-
aušinant, perėjimas į superlaidžią būseną nevyksta staigiai, kaip minkštuose superlaidininkuose ir tam tikru temperatūros intervalu;
-
kai kurie kietieji superlaidininkai turi ne tik santykinai aukštas kritinės perėjimo temperatūros Tc vertes, bet ir santykinai dideles kritinės magnetinės indukcijos Vkr reikšmes;
-
magnetinės indukcijos pokyčiuose gali būti stebimos tarpinės būsenos tarp superlaidumo ir normaliosios;
-
turi polinkį išsklaidyti energiją, kai per juos teka kintamoji srovė;
-
priklausomybę sukeliančios superlaidumo savybės nuo technologinių gamybos metodų, medžiagos grynumas ir kristalinės struktūros tobulumas.
Pagal technologines savybes kietieji superlaidininkai skirstomi į šiuos tipus:
-
santykinai lengvai deformuojamas iš kurių viela ir juostelės [niobis, niobio-titano lydiniai (Nb-Ti), vanadis-galis (V-Ga)];
-
sunkiai deformuojasi dėl trapumo, iš kurių produktai gaunami miltelinės metalurgijos metodais (intermetalinės medžiagos, pvz., niobio stanidas Nb3Sn).
Dažnai superlaidūs laidai, padengti "stabilizuojančiu" apvalkalu, pagamintu iš vario ar kitos labai laidžios medžiagos elektros ir metalo šiluma, kuri leidžia nepažeisti superlaidininko bazinės medžiagos atsitiktinai pakilus temperatūrai.
Kai kuriais atvejais naudojami kompozitiniai superlaidūs laidai, kuriuose daug plonų superlaidžios medžiagos gijų yra uždengta kietu vario ar kitos nelaidžios medžiagos apvalkalu.
Superlaidžios plėvelės medžiagos turi ypatingų savybių:
-
kritinė pereinamoji temperatūra Tcr kai kuriais atvejais žymiai viršija Tcr birių medžiagų;
-
didelės ribojančių srovių, praeinančių per superlaidininką, vertės;
-
mažesnis perėjimo į superlaidžią būseną temperatūros diapazonas.
Superlaidininkai naudojami kuriant: mažos masės ir matmenų elektros mašinas ir transformatorius su dideliu naudingumo koeficientu; didelės kabelių linijos, skirtos energijos perdavimui dideliais atstumais; ypač mažo slopinimo bangolaidžiai; varo maitinimo ir atminties įrenginius; elektroninių mikroskopų magnetiniai lęšiai; induktyvumo ritės su atspausdintais laidais.
Remiantis plėvelės superlaidininkais, buvo sukurta daugybė saugojimo įrenginių ir automatikos elementai ir skaičiavimo technologija.
Superlaidininkų elektromagnetinės ritės leidžia gauti maksimalias galimas magnetinio lauko stiprumo vertes.
Kriozondai
Kai kurie metalai žemoje (kriogeninėje) temperatūroje gali pasiekti labai mažą savitosios elektrinės varžos p reikšmę, kuri yra šimtus ir tūkstančius kartų mažesnė už elektrinę varžą normalioje temperatūroje. Šias savybes turinčios medžiagos vadinamos kriolaidininkais (hiperlaidininkais).
Fiziniu požiūriu kriolaidumo reiškinys nėra panašus į superlaidumo reiškinį. Srovės tankis kriolaidininkuose esant darbinei temperatūrai yra tūkstančius kartų didesnis nei srovės tankis juose esant normaliai temperatūrai, o tai lemia jų naudojimą stiprios srovės elektros prietaisuose, kuriems keliami aukšti patikimumo ir sprogimo saugos reikalavimai.
Kriolaidininkų taikymas elektros mašinose, kabeliuose ir kt. turi didelį pranašumą prieš superlaidininkus.
Jeigu superlaidžiuose įrenginiuose naudojamas skystas helis, kriolaidininkų veikimas užtikrinamas dėl aukštesnės virimo temperatūros ir pigių šaltnešių — skysto vandenilio ar net skystojo azoto. Tai supaprastina ir sumažina įrenginio gamybos ir eksploatavimo išlaidas. Tačiau būtina atsižvelgti į techninius sunkumus, kylančius naudojant skystą vandenilį, tam tikru komponentų santykiu formuojant sprogų mišinį su oru.
Kaip krioprocesoriai naudojamas varis, aliuminis, sidabras, auksas.
Informacija apie šaltinį: "Elektro medžiagos" Zhuravleva L. V.