Supravodiče a kryovodiče
Supravodiče a kryovodiče
Známých 27 čistých kovů a více než tisíc různých slitin a sloučenin, ve kterých je možný přechod do supravodivého stavu. Patří mezi ně čisté kovy, slitiny, intermetalické sloučeniny a některé dielektrické materiály.
Supravodiče
Když teplota klesne měrný elektrický odpor kovů klesá a při velmi nízkých (kryogenních) teplotách se elektrická vodivost kovů blíží absolutní nule.
V roce 1911 při ochlazení prstence zmrzlé rtuti na teplotu 4,2 K holandský vědec G. Kamerling-Onnes zjistil, že elektrický odpor prstenců náhle klesl na velmi malou hodnotu, kterou nebylo možné změřit. Takové vymizení elektrického odporu, tzn. vzhled nekonečné vodivosti v materiálu se nazývá supravodivost.
Materiály se schopností přejít do supravodivého stavu při ochlazení na dostatečně nízkou teplotní úroveň se začaly nazývat supravodiče.Kritická teplota chlazení, při které dochází k přechodu hmoty do supravodivého stavu, se nazývá supravodivá přechodová teplota nebo kritická přechodová teplota Tcr.
Supravodivý přechod je vratný. Když teplota stoupne na Tc, materiál se vrátí do svého normálního (nevodivého) stavu.
Charakteristickým rysem supravodičů je, že po indukci v supravodivém obvodu bude elektrický proud cirkulovat po dlouhou dobu (roky) tímto obvodem bez znatelného snížení jeho síly a navíc bez dodatečného přísunu energie zvenčí. Jako permanentní magnet se takový obvod vytváří v okolním prostoru magnetické pole.
V roce 1933 němečtí fyzici V. Meissner a R. Oxenfeld zjistili, že supravodiče se při přechodu do supravodivého stavu stávají ideálními diamagnety. Vnější magnetické pole proto neproniká supravodivým tělesem. Pokud k přechodu materiálu do supravodivého stavu dojde v magnetickém poli, pak je pole ze supravodiče „vytlačeno“.
Známé supravodiče mají velmi nízké kritické přechodové teploty Tc. Proto zařízení, ve kterých používají supravodiče, musí pracovat za podmínek chlazení kapalným heliem (teplota zkapalnění helia za normálního tlaku je asi 4,2 DA SE). To komplikuje a zvyšuje náklady na výrobu a provoz supravodivých materiálů.
Kromě rtuti je supravodivost vlastní i dalším čistým kovům (chemickým prvkům) a různým slitinám a chemickým sloučeninám. U většiny kovů, jako je stříbro a měď, se však nízké teploty dosažené v tuto chvíli stanou supravodivými, pokud podmínka selže.
Možnosti využití jevu supravodivosti jsou dány hodnotami teploty přechodu do supravodivého stavu Tc a kritickou silou magnetického pole.
Supravodivé materiály dělíme na měkké a tvrdé. Mezi měkké supravodiče patří čisté kovy, kromě niobu, vanadu, teluru. Hlavní nevýhodou měkkých supravodičů je nízká hodnota kritické intenzity magnetického pole.
V elektrotechnice se měkké supravodiče nepoužívají, protože supravodivý stav v nich zaniká již ve slabých magnetických polích při nízkých proudových hustotách.
Mezi pevné supravodiče patří slitiny s deformovanými krystalovými mřížkami. Zachovají si supravodivost i při relativně vysokých proudových hustotách a silných magnetických polích.
Vlastnosti pevných supravodičů byly objeveny v polovině tohoto století a dodnes je problém jejich výzkumu a aplikace jedním z nejdůležitějších problémů moderní vědy a techniky.
Pevné supravodiče mají řadu funkcí:
-
při ochlazení nedochází k přechodu do supravodivého stavu náhle, jako u měkkých supravodičů a po určitý teplotní interval;
-
některé pevné supravodiče mají nejen relativně vysoké hodnoty kritické teploty přechodu Tc, ale také relativně vysoké hodnoty kritické magnetické indukce Vkr;
-
při změnách magnetické indukce lze pozorovat mezistavy mezi supravodivým a normálním;
-
mají tendenci rozptylovat energii, když jimi prochází střídavý proud;
-
návykové vlastnosti supravodivosti z technologických způsobů výroby, čistoty materiálu a dokonalosti jeho krystalové struktury.
Podle technologických vlastností se pevné supravodiče dělí na následující typy:
-
relativně snadno deformovatelné, z toho dráty a pásy [niob, slitiny niob-titan (Nb-Ti), vanad-gallium (V-Ga)];
-
obtížně deformovatelné kvůli křehkosti, z nichž se produkty získávají metodami práškové metalurgie (intermetalické materiály jako je niobový stanid Nb3Sn).
Často supravodivé dráty pokryté „stabilizačním“ pláštěm z mědi nebo jiného vysoce vodivého materiálu elektřina a teplo kovu, což umožňuje vyhnout se poškození základního materiálu supravodiče při náhodném zvýšení teploty.
V některých případech se používají kompozitní supravodivé dráty, ve kterých je velké množství tenkých vláken ze supravodivého materiálu uzavřeno v pevném plášti z mědi nebo jiného nevodivého materiálu.
Supravodivé filmové materiály mají speciální vlastnosti:
-
kritická teplota přechodu Tcr v některých případech výrazně převyšuje Tcr sypké materiály;
-
velké hodnoty omezujících proudů procházejících supravodičem;
-
menší teplotní rozsah přechodu do supravodivého stavu.
Supravodiče se používají při vytváření: elektrických strojů a transformátorů s malou hmotností a rozměry s vysokým činitelem účinnosti; velká kabelová vedení pro přenos energie na velké vzdálenosti; zejména vlnovody s nízkým útlumem; pohání napájecí a paměťová zařízení; magnetické čočky elektronových mikroskopů; indukční cívky s plošnými spoji.
Na základě filmových supravodičů vznikla řada paměťových zařízení a automatizační prvky a výpočetní techniky.
Elektromagnetické cívky ze supravodičů umožňují získat maximální možné hodnoty intenzity magnetického pole.
Kryosondy
Některé kovy mohou dosahovat při nízkých (kryogenních) teplotách velmi malé hodnoty měrného elektrického odporu p, která je stokrát a tisíckrát menší než elektrický odpor za normální teploty. Materiály s těmito vlastnostmi se nazývají kryovodiče (hypervodiče).
Fyzikálně se fenomén kryovodivosti nepodobá fenoménu supravodivosti. Proudová hustota v kryovodičích při provozních teplotách je tisíckrát vyšší než proudová hustota v nich při normální teplotě, což předurčuje jejich použití v silnoproudých elektrických zařízeních, na která jsou kladeny vysoké požadavky na spolehlivost a bezpečnost výbuchu.
Aplikace kryovodičů v elektrických strojích, kabelech atd. má oproti supravodičům značnou výhodu.
V případě použití kapalného hélia v supravodivých zařízeních je zajištěn provoz kryovodičů díky vyššímu bodu varu a levným chladivům — kapalnému vodíku nebo i kapalnému dusíku. To zjednodušuje a snižuje náklady na výrobu a provoz zařízení. Je však nutné vzít v úvahu technické potíže, které vznikají při použití kapalného vodíku, tvořícího při určitém poměru složek výbušnou směs se vzduchem.
Jako kryoprocesory používají měď, hliník, stříbro, zlato.
Informace o zdroji: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.