Superkonduktor dan kriokonduktor

Superkonduktor dan kriokonduktor

Dikenali 27 logam tulen dan lebih daripada seribu aloi dan sebatian yang berbeza di mana peralihan kepada keadaan superkonduktor adalah mungkin. Ini termasuk logam tulen, aloi, sebatian antara logam, dan beberapa bahan dielektrik.

Superkonduktor

Apabila suhu turun rintangan elektrik tertentu logam berkurangan dan pada suhu yang sangat rendah (kriogenik), kekonduksian elektrik logam menghampiri sifar mutlak.

Pada tahun 1911, apabila menyejukkan cincin merkuri beku ke suhu 4.2 K, saintis Belanda G. Kamerling-Onnes mendapati bahawa rintangan elektrik cincin tiba-tiba jatuh ke nilai yang sangat kecil yang tidak dapat diukur. Kehilangan rintangan elektrik sedemikian, i.e. kemunculan kekonduksian tak terhingga dalam bahan dipanggil superkonduktiviti.

Bahan yang mempunyai keupayaan untuk masuk ke dalam keadaan superkonduktor apabila disejukkan ke tahap suhu yang cukup rendah mula dipanggil superkonduktor.Suhu penyejukan kritikal di mana terdapat peralihan jirim ke dalam keadaan superkonduktor dipanggil suhu peralihan superkonduktor atau suhu peralihan kritikal Tcr.

Peralihan superkonduktor boleh diterbalikkan. Apabila suhu meningkat kepada Tc, bahan kembali kepada keadaan normal (tidak konduktif).

Satu ciri superkonduktor ialah apabila teraruh dalam litar superkonduktor, arus elektrik akan beredar untuk masa yang lama (tahun) di sepanjang litar ini tanpa pengurangan yang ketara dalam kekuatannya dan, lebih-lebih lagi, tanpa bekalan tenaga tambahan dari luar. Seperti magnet kekal, litar sedemikian tercipta di ruang sekeliling medan magnet.

Pada tahun 1933, ahli fizik Jerman V. Meissner dan R. Oxenfeld menetapkan bahawa superkonduktor semasa peralihan kepada keadaan superkonduktor menjadi diamagnet yang ideal. Oleh itu, medan magnet luaran tidak menembusi badan superkonduktor. Jika peralihan bahan kepada keadaan superkonduktor berlaku dalam medan magnet, maka medan itu "ditolak" keluar dari superkonduktor.

Superkonduktor yang diketahui mempunyai suhu peralihan kritikal yang sangat rendah Tc. Oleh itu, peranti di mana mereka menggunakan superkonduktor mesti beroperasi di bawah keadaan penyejukan helium cecair (suhu pencairan helium pada tekanan normal ialah kira-kira 4.2 DA SE). Ini merumitkan dan meningkatkan kos pembuatan dan pengendalian bahan superkonduktor.

Selain merkuri, superkonduktiviti adalah wujud dalam logam tulen lain (unsur kimia) dan pelbagai aloi dan sebatian kimia. Walau bagaimanapun, pada kebanyakan logam seperti perak dan tembaga, suhu rendah yang dicapai pada masa ini menjadi superkonduktor jika keadaan gagal.

Kemungkinan menggunakan fenomena superkonduktiviti ditentukan oleh nilai suhu peralihan kepada keadaan superkonduktif Tc dan kekuatan kritikal medan magnet.

Bahan superkonduktor dibahagikan kepada lembut dan keras. Superkonduktor lembut termasuk logam tulen, kecuali niobium, vanadium, tellurium. Kelemahan utama superkonduktor lembut ialah nilai rendah kekuatan medan magnet kritikal.

Dalam kejuruteraan elektrik, superkonduktor lembut tidak digunakan, kerana keadaan superkonduktor di dalamnya hilang sudah dalam medan magnet yang lemah pada ketumpatan arus yang rendah.

Superkonduktor pepejal termasuk aloi dengan kekisi kristal terherot. Mereka mengekalkan superkonduktiviti walaupun pada ketumpatan arus yang agak tinggi dan medan magnet yang kuat.

Sifat superkonduktor pepejal ditemui pada pertengahan abad ini, dan sehingga kini masalah penyelidikan dan aplikasi mereka adalah salah satu masalah terpenting sains dan teknologi moden.

Superkonduktor pepejal mempunyai beberapa fungsi:

• semasa penyejukan, peralihan kepada keadaan superkonduktor tidak berlaku secara tiba-tiba, seperti dalam superkonduktor lembut dan untuk selang suhu tertentu;

• sesetengah superkonduktor pepejal bukan sahaja mempunyai nilai yang agak tinggi suhu peralihan kritikal Tc, tetapi juga nilai yang agak tinggi aruhan magnetik kritikal Vkr;

• dalam perubahan aruhan magnet, keadaan perantaraan antara superkonduktor dan normal boleh diperhatikan;

• mempunyai kecenderungan untuk menghilangkan tenaga apabila melalui arus ulang alik melaluinya;

• sifat ketagihan superkonduktiviti daripada kaedah teknologi pengeluaran, ketulenan bahan dan kesempurnaan struktur kristalnya.

Mengikut sifat teknologi, superkonduktor pepejal dibahagikan kepada jenis berikut:

• agak mudah berubah bentuk yang mana wayar dan jalur [niobium, aloi niobium-titanium (Nb-Ti), vanadium-gallium (V-Ga)];

• sukar untuk berubah bentuk kerana kerapuhan, yang mana produk diperoleh dengan kaedah metalurgi serbuk (bahan antara logam seperti niobium stanide Nb3Sn).

Selalunya wayar superkonduktor ditutup dengan sarung "menstabilkan" yang diperbuat daripada tembaga atau bahan konduktif tinggi lain elektrik dan haba logam, yang memungkinkan untuk mengelakkan kerosakan bahan asas superkonduktor dengan peningkatan suhu yang tidak disengajakan.

Dalam sesetengah kes, wayar superkonduktor komposit digunakan, di mana sejumlah besar filamen nipis bahan superkonduktor disertakan dalam sarung pepejal tembaga atau bahan bukan pengalir lain.

Bahan filem superkonduktor mempunyai ciri khas:

• suhu peralihan kritikal Tcr dalam beberapa kes dengan ketara melebihi bahan pukal Tcr;

• nilai besar arus had yang melalui superkonduktor;

• kurang julat suhu peralihan kepada keadaan superkonduktor.

Superkonduktor digunakan apabila mencipta: mesin elektrik dan transformer dengan jisim dan dimensi kecil dengan faktor kecekapan tinggi; talian kabel besar untuk penghantaran kuasa pada jarak jauh; terutamanya pandu gelombang pengecilan rendah; memacu peranti kuasa dan memori; kanta magnet mikroskop elektron; gegelung kearuhan dengan pendawaian bercetak.

Berdasarkan superkonduktor filem mencipta beberapa peranti storan dan elemen automasi dan teknologi pengkomputeran.

Gegelung elektromagnet daripada superkonduktor memungkinkan untuk mendapatkan nilai maksimum kekuatan medan magnet yang mungkin.

Cryoprobes

Sesetengah logam boleh mencapai pada suhu rendah (kriogenik) nilai yang sangat kecil bagi rintangan elektrik tertentu p, iaitu ratusan dan beribu kali kurang daripada rintangan elektrik pada suhu biasa. Bahan dengan sifat ini dipanggil cryoconductor (hiperkonduktor).

Secara fizikal, fenomena cryoconductivity tidak serupa dengan fenomena superconductivity. Ketumpatan arus dalam cryoconductor pada suhu operasi adalah beribu-ribu kali lebih tinggi daripada ketumpatan arus di dalamnya pada suhu biasa, yang menentukan penggunaannya dalam peranti elektrik arus tinggi yang tertakluk kepada keperluan tinggi untuk kebolehpercayaan dan keselamatan letupan.

Penggunaan cryoconductor dalam mesin elektrik, kabel, dsb. mempunyai kelebihan yang ketara berbanding superkonduktor.

Jika helium cecair digunakan dalam peranti superkonduktor, operasi cryoconductors dipastikan kerana takat didih yang lebih tinggi dan penyejuk yang murah - hidrogen cecair atau nitrogen cecair. Ini memudahkan dan mengurangkan kos pembuatan dan pengendalian peranti. Walau bagaimanapun, adalah perlu untuk mempertimbangkan kesukaran teknikal yang timbul apabila menggunakan hidrogen cecair, membentuk, pada nisbah komponen tertentu, campuran letupan dengan udara.

Sebagai pemproses krio menggunakan tembaga, aluminium, perak, emas.

Maklumat Sumber: "Bahan Elektromatik" Zhuravleva L. V.