Сверхпроводники и криопроводники

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес, неза­долго перед тем (в 1908 г.) впервые получивший жидкий гелий (ге­лий был последним газом, который до того еще не удавалось пере­вести в жидкое состояние), исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература Т_с, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхнроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Т_с сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

Рис. 4-1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормаль­ной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверх проводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Т_с, харак­терного для данного сверхпроводникового материала); такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверх проводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Т_с, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода В₀ (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция В_с током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис. 4-1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверх проводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода В_с. Наибольшая возможная температура перехода Т_с (критическая температура) данного сверхпровод­никового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводни­кового электромагнита — при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В_с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.

Рис. 4-2. Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb₃Sn (кривые 1 и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ (кривая 3)

В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпровод­ники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверх проводниковых металлов (сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверх проводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние между нижним В_С1 и верхним B_С2 значениями критической магнитной индукции перехода для значений температур Т< T_С0. В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном на­пряжении сохраняется, т. е. r = 0, но относительная маг­нитная проницаемость сверхпроводника m_r> 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются не­которые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпровод­ников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п. Из чистых металлов к сверхпроводникам II рода относятся лишь ниобий Nb, ванадий V и технеций Тс.

На рис. 4-2 представлена диаграмма со­стояния типичного сверхпроводника II ро­да — интерметаллического соединения, стан-нида ниобия Nb₃Sn. Кривая 1 дает значения B_С01, кривая 2—значения В_C02; заштрихована область промежуточного состояния. Для со­поставления здесь же приведена диаграмма состояния для типичного сверхпроводника I рода—свинца Рb.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости, т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость — частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но все же конечное значение r криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть все же гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Криопроводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне р меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверх­проводниковых запоминающих устройствах).

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в элек­трических машинах, аппаратах и других электротехнических устрой­ствах может иметь свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого гелия, который значительно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выпол­нение тепловой изоляции ус­тройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Кроме того, в сверхпроводящем кон­туре с большим током нака­пливается большое количество энергии магнитного поля, рав­ное LI²/2 Дж (L —индуктив­ность, Гн; I —ток, А). При случайном повышении температуры или магнитной индукции свыше значений, соответствующих переходу сверхпроводника в нормальное состояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверх­проводимость будет нарушена, что приведет к внезапному освобож­дению большого количества энергии. Для криопроводящей цепи такой опасности нет, так как повышение температуры может повлечь за собой лишь постепенное, плавное увеличение сопротивления. Наибольший интерес для применения в качестве криопроводникового материала представляют собой: при темпера­туре жидкого водорода — алюминий, а при температуре жидкого азота —бериллий.

Таким образом, проблема выбора оптимального (т. е. имеющего при рабочей температуре наименьшее удельное сопротивление при наилучших других технико-экономических показателях) криопровод­никового материала сводится в основном к следующему: применить легко доступный и дешевый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но пойти на использование для охлаждения устройства жидкого водорода, что все же требует преодоления некоторых затруднений и, в частности, необходимости учета взрывоопасности водородо-воздушной смеси; или же применять более дорогой, дефицитный, сложный в технологическом отношении бериллий, но зато исполь­зовать в качестве хладагента более дешевый и легко доступный жидкий азот и тем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Во всех случаях для получения высококаче­ственных криопроводннков требуются исключи­тельно высокая чистота металла (отсутствие при­месей) и отсутствие на­клепа (отожженное со­стояние). Вредное влияние примесей и наклепа на удельное сопротивление металлов при криогенных темпера­турах выражено значи­тельно более сильно, чем при нормальной температуре.

Порядок выполнения

Поиск по сайту: