Supravadītāji un kriovadītāji

Supravadītāji un kriovadītāji

Zināmi 27 tīri metāli un vairāk nekā tūkstotis dažādu sakausējumu un savienojumu, kuros iespējama pāreja uz supravadošu stāvokli. Tie ietver tīrus metālus, sakausējumus, intermetāliskus savienojumus un dažus dielektriskus materiālus.

Supravadītāji

Kad temperatūra pazeminās metālu īpatnējā elektriskā pretestība samazinās un ļoti zemās (kriogēnās) temperatūrās metālu elektrovadītspēja tuvojas absolūtajai nullei.

1911. gadā, atdzesējot sasaluša dzīvsudraba gredzenu līdz 4,2 K temperatūrai, holandiešu zinātnieks G. Kamerlings-Onnes atklāja, ka gredzenu elektriskā pretestība pēkšņi nokritās līdz ļoti mazai vērtībai, ko nevarēja izmērīt. Šāda elektriskās pretestības izzušana, t.i. bezgalīgas vadītspējas parādīšanos materiālā sauc par supravadītspēju.

Materiālus ar spēju nonākt supravadītājā stāvoklī, atdzesējot līdz pietiekami zemai temperatūrai, sāka saukt par supravadītājiem.Kritisko dzesēšanas temperatūru, kurā notiek vielas pāreja supravadītājā stāvoklī, sauc par supravadītāja pārejas temperatūru vai kritisko pārejas temperatūru Tcr.

Supravadoša pāreja ir atgriezeniska. Kad temperatūra paaugstinās līdz Tc, materiāls atgriežas normālā (nevadošā) stāvoklī.

Supravadītāju īpašība ir tāda, ka elektriskā strāva, kas inducēta supravadītājā ķēdē, ilgu laiku (gadus) cirkulēs pa šo ķēdi, būtiski nesamazinot tās stiprumu un turklāt bez papildu enerģijas piegādes no ārpuses. Līdzīgi kā pastāvīgais magnēts, šāda ķēde rada apkārtējā telpā magnētiskais lauks.

1933. gadā vācu fiziķi V. Meisners un R. Oksenfelds konstatēja, ka supravadītāji pārejas laikā uz supravadītspēju kļūst par ideāliem diamagnētiem. Tāpēc ārējais magnētiskais lauks neiekļūst supravadītājā ķermenī. Ja materiāla pāreja supravadošā stāvoklī notiek magnētiskajā laukā, tad lauks tiek "izstumts" no supravadītāja.

Zināmiem supravadītājiem ir ļoti zemas kritiskās pārejas temperatūras Tc. Tāpēc ierīcēm, kurās tās izmanto supravadītājus, jādarbojas šķidrā hēlija dzesēšanas apstākļos (hēlija sašķidrināšanas temperatūra normālā spiedienā ir aptuveni 4,2 DA SE). Tas sarežģī un palielina supravadošu materiālu ražošanas un ekspluatācijas izmaksas.

Papildus dzīvsudrabam supravadītspēja ir raksturīga citiem tīriem metāliem (ķīmiskiem elementiem) un dažādiem sakausējumiem un ķīmiskiem savienojumiem. Tomēr lielākajā daļā metālu, piemēram, sudraba un vara, šobrīd sasniegtā zemā temperatūra kļūst par supravadītāju, ja stāvoklis neizdodas.

Supravadītspējas fenomena izmantošanas iespējas nosaka temperatūras vērtības pārejai uz supravadītspēju Tc un magnētiskā lauka kritiskais stiprums.

Supravadoši materiāli, kas sadalīti mīkstos un cietos. Mīkstie supravadītāji ietver tīrus metālus, izņemot niobiju, vanādiju, telūru. Galvenais mīksto supravadītāju trūkums ir zemā kritiskā magnētiskā lauka intensitātes vērtība.

Elektrotehnikā mīkstos supravadītājus neizmanto, jo tajos supravadošais stāvoklis pazūd jau vājos magnētiskos laukos pie zema strāvas blīvuma.

Cietie supravadītāji ietver sakausējumus ar izkropļotiem kristāla režģiem. Tie saglabā supravadītspēju pat pie relatīvi liela strāvas blīvuma un spēcīga magnētiskā lauka.

Cieto supravadītāju īpašības tika atklātas šī gadsimta vidū, un līdz šim to izpētes un pielietošanas problēma ir viena no mūsdienu zinātnes un tehnikas svarīgākajām problēmām.

Cietiem supravadītājiem ir vairākas funkcijas:

• atdzesējot, pāreja uz supravadīšanas stāvokli nenotiek pēkšņi, kā mīkstos supravadītājos un noteiktā temperatūras intervālā;

• dažiem cietajiem supravadītājiem ir ne tikai salīdzinoši augstas kritiskās pārejas temperatūras Tc vērtības, bet arī salīdzinoši augstas kritiskās magnētiskās indukcijas Vkr vērtības;

• magnētiskās indukcijas izmaiņās novērojami starpstāvokļi starp supravadītspēju un normālo;

• ir tendence izkliedēt enerģiju, laižot caur tām maiņstrāvu;

• supravadītspējas atkarību izraisošās īpašības no ražošanas tehnoloģiskajām metodēm, materiāla tīrība un tā kristāla struktūras pilnība.

Saskaņā ar tehnoloģiskajām īpašībām cietos supravadītājus iedala šādos veidos:

• samērā viegli deformējami, no kuriem stieple un sloksnes [niobijs, niobija-titāna sakausējumi (Nb-Ti), vanādija-gallija (V-Ga)];

• grūti deformējami trausluma dēļ, no kuriem produktus iegūst ar pulvermetalurģijas metodēm (intermetāliski materiāli, piemēram, niobija stanīds Nb3Sn).

Bieži vien supravadoši vadi, kas pārklāti ar "stabilizējošu" apvalku, kas izgatavots no vara vai cita ļoti vadoša materiāla elektrība un metāla siltums, kas ļauj izvairīties no supravadītāja pamatmateriāla bojājumiem ar nejaušu temperatūras paaugstināšanos.

Dažos gadījumos izmanto kompozītmateriālu supravadošas stieples, kurās liels skaits plānu supravadoša materiāla pavedienu ir ietverti cietā vara vai cita nevadoša materiāla apvalkā.

Supravadošās plēves materiāliem ir īpašas īpašības:

• kritiskā pārejas temperatūra Tcr atsevišķos gadījumos ievērojami pārsniedz Tcr beztaras materiālus;

• lielas ierobežojošo strāvu vērtības, kas iet caur supravadītāju;

• mazāks temperatūras diapazons pārejai uz supravadīšanas stāvokli.

Supravadītāji tiek izmantoti, veidojot: elektriskās mašīnas un transformatorus ar mazu masu un izmēriem ar augstu lietderības koeficientu; lielas kabeļu līnijas elektroenerģijas pārvadei lielos attālumos; īpaši zemas vājināšanas viļņvadi; vada barošanas un atmiņas ierīces; elektronu mikroskopu magnētiskās lēcas; induktivitātes spoles ar drukātu vadu.

Pamatojoties uz plēves supravadītājiem tika izveidotas vairākas atmiņas ierīces un automatizācijas elementi un skaitļošanas tehnoloģijas.

Supravadītāju elektromagnētiskās spoles ļauj iegūt maksimāli iespējamās magnētiskā lauka intensitātes vērtības.

Kriozondi

Daži metāli zemā (kriogēnā) temperatūrā var sasniegt ļoti mazu īpatnējās elektriskās pretestības p vērtību, kas ir simtiem un tūkstošiem reižu mazāka nekā elektriskā pretestība normālā temperatūrā. Materiālus ar šīm īpašībām sauc par kriovadītājiem (hipervadītājiem).

Fiziski kriovadītspējas fenomens nav līdzīgs supravadītspējas fenomenam. Strāvas blīvums kriovadītājos darba temperatūrā ir tūkstošiem reižu lielāks par strāvas blīvumu tajos normālā temperatūrā, kas nosaka to izmantošanu augstas strāvas elektroierīcēs, kurām tiek izvirzītas augstas prasības attiecībā uz uzticamību un sprādziendrošību.

Kriovadītāju pielietojums elektriskajās mašīnās, kabeļos u.c. ir ievērojama priekšrocība salīdzinājumā ar supravadītājiem.

Ja supravadošās ierīcēs izmanto šķidro hēliju, kriovadītāju darbība tiek nodrošināta, pateicoties augstākai viršanas temperatūrai un lētajiem aukstumaģentiem — šķidrajam ūdeņradim vai pat šķidram slāpeklim. Tas vienkāršo un samazina ierīces ražošanas un ekspluatācijas izmaksas. Tomēr jāņem vērā tehniskas grūtības, kas rodas, izmantojot šķidro ūdeņradi, veidojot ar noteiktu sastāvdaļu attiecību sprādzienbīstamu maisījumu ar gaisu.

Kā krioprocesori izmanto varu, alumīniju, sudrabu, zeltu.

Informācijas avots: "Elektromateriāli" Zhuravleva L. V.