Süper iletkenler ve kriyo iletkenler
Süper iletkenler ve kriyo iletkenler
Bilinen 27 saf metal ve süper iletken bir duruma geçişin mümkün olduğu binden fazla farklı alaşım ve bileşik. Bunlar saf metalleri, alaşımları, metaller arası bileşikleri ve bazı dielektrik malzemeleri içerir.
süper iletkenler
Sıcaklık düştüğünde metallerin özgül elektrik direnci azalır ve çok düşük (kriyojenik) sıcaklıklarda metallerin elektrik iletkenliği mutlak sıfıra yaklaşır.
1911'de Hollandalı bilim adamı G. Kamerling-Onnes, donmuş cıva halkasını 4,2 K sıcaklığa soğuturken, halkaların elektrik direncinin aniden ölçülemeyen çok küçük bir değere düştüğünü buldu. Elektrik direncinin bu şekilde kaybolması, yani. Bir malzemede sonsuz iletkenliğin ortaya çıkmasına süperiletkenlik denir.
Yeterince düşük bir sıcaklık seviyesine soğutulduğunda süper iletken bir duruma geçme yeteneğine sahip malzemeler süper iletkenler olarak adlandırılmaya başlandı.Maddenin süperiletken bir duruma geçiş yaptığı kritik soğutma sıcaklığı, süperiletken geçiş sıcaklığı veya kritik geçiş sıcaklığı Tcr olarak adlandırılır.
Bir süper iletken geçiş tersine çevrilebilir. Sıcaklık Tc'ye yükseldiğinde, malzeme normal (iletken olmayan) durumuna geri döner.
Süperiletkenlerin bir özelliği, bir süperiletken devrede indüklendikten sonra, elektrik akımının, gücünde kayda değer bir azalma olmadan ve ayrıca dışarıdan ek bir enerji kaynağı olmadan bu devre boyunca uzun bir süre (yıllar) dolaşacak olmasıdır. Kalıcı bir mıknatıs gibi, çevredeki boşlukta böyle bir devre oluşur. manyetik alan.
1933'te Alman fizikçiler V. Meissner ve R. Oxenfeld, süper iletkenlerin süper iletken duruma geçiş sırasında ideal diamagnetler haline geldiğini belirlediler. Bu nedenle, harici manyetik alan bir süper iletken gövdeye nüfuz etmez. Malzemenin süper iletken bir duruma geçişi bir manyetik alanda meydana gelirse, alan süper iletkenden "itilir".
Bilinen süper iletkenler çok düşük kritik geçiş sıcaklıklarına (Tc) sahiptir. Bu nedenle, süper iletken kullandıkları cihazlar, sıvı helyum soğutma koşullarında çalışmak zorundadır (normal basınçta helyumun sıvılaşma sıcaklığı yaklaşık 4.2 DA SE'dir). Bu, süper iletken malzemelerin üretim ve işletme maliyetini karmaşıklaştırır ve artırır.
Cıvanın yanı sıra, süperiletkenlik diğer saf metallerde (kimyasal elementler) ve çeşitli alaşımlarda ve kimyasal bileşiklerde doğaldır. Bununla birlikte, gümüş ve bakır gibi çoğu metalde, o anda ulaşılan düşük sıcaklıklar, koşul başarısız olursa süper iletken hale gelir.
Süper iletkenlik fenomenini kullanma olasılıkları, Tc'nin süper iletken durumuna geçiş sıcaklığı ve manyetik alanın kritik gücü ile belirlenir.
Süper iletken malzemeler yumuşak ve sert olarak ayrılır. Yumuşak süper iletkenler, niyobyum, vanadyum, tellür hariç saf metalleri içerir. Yumuşak süperiletkenlerin ana dezavantajı, kritik manyetik alan kuvvetinin düşük değeridir.
Elektrik mühendisliğinde, yumuşak süper iletkenler kullanılmaz, çünkü içlerindeki süper iletken durum, düşük akım yoğunluklarında zayıf manyetik alanlarda zaten kaybolur.
Katı süper iletkenler, bozuk kristal kafeslere sahip alaşımları içerir. Nispeten yüksek akım yoğunluklarında ve güçlü manyetik alanlarda bile süper iletkenliği korurlar.
Katı süperiletkenlerin özellikleri bu yüzyılın ortalarında keşfedildi ve şimdiye kadar bunların araştırılması ve uygulanması modern bilim ve teknolojinin en önemli sorunlarından biri oldu.
Katı süper iletkenlerin bir dizi işlevi vardır:
-
soğutmada, süper iletken duruma geçiş, yumuşak süper iletkenlerde olduğu gibi ve belirli bir sıcaklık aralığında aniden gerçekleşmez;
-
bazı katı süper iletkenler yalnızca nispeten yüksek kritik geçiş sıcaklığı değerlerine (Tc) değil, aynı zamanda nispeten yüksek kritik manyetik indüksiyon değerlerine (Vkr) sahiptir;
-
manyetik indüksiyondaki değişikliklerde, süper iletken ile normal arasındaki ara durumlar gözlemlenebilir;
-
içlerinden alternatif akım geçerken enerjiyi dağıtma eğilimi vardır;
-
teknolojik üretim yöntemlerinden süperiletkenliğin bağımlılık yapıcı özellikleri, malzeme saflığı ve kristal yapısının mükemmelliği.
Teknolojik özelliklerine göre, katı süper iletkenler aşağıdaki tiplere ayrılır:
-
nispeten kolayca deforme olabilen tel ve şeritler [niyobyum, niyobyum-titanyum alaşımları (Nb-Ti), vanadyum-galyum (V-Ga)];
-
toz metalurjisi yöntemleriyle (niyobyum stanid Nb3Sn gibi metaller arası malzemeler) elde edilen ürünlerden, kırılganlık nedeniyle deforme olması zor.
Genellikle bakırdan veya diğer yüksek iletkenliğe sahip malzemeden yapılmış "stabilize edici" bir kılıfla kaplı süper iletken teller elektrik ve metalin ısısı, bu da süperiletkenin temel malzemesinin sıcaklıktaki kazara bir artışla hasar görmesini önlemeyi mümkün kılar.
Bazı durumlarda, çok sayıda ince süper iletken malzeme filamanının katı bir bakır veya diğer iletken olmayan malzeme kılıfı içine alındığı kompozit süper iletken teller kullanılır.
Süper iletken film malzemelerinin özel özellikleri vardır:
-
kritik geçiş sıcaklığı Tcr, bazı durumlarda Tcr dökme malzemeleri önemli ölçüde aşar;
-
süper iletkenden geçen sınırlayıcı akımların büyük değerleri;
-
süper iletken duruma geçişin daha az sıcaklık aralığı.
Süper iletkenler aşağıdakileri oluştururken kullanılır: küçük kütleye ve yüksek verimlilik faktörüne sahip boyutlara sahip elektrikli makineler ve transformatörler; uzun mesafelerde güç iletimi için büyük kablo hatları; özellikle düşük zayıflama dalga kılavuzları; güç ve bellek aygıtlarını çalıştırır; elektron mikroskoplarının manyetik mercekleri; baskılı kablolama ile endüktans bobinleri.
Film süper iletkenlerine dayanarak bir dizi depolama aygıtı yarattı ve otomasyon elemanları ve bilgi işlem teknolojisi.
Süper iletkenlerden gelen elektromanyetik bobinler, mümkün olan maksimum manyetik alan kuvveti değerlerinin elde edilmesini mümkün kılar.
Kriyoproblar
Bazı metaller, düşük (kriyojenik) sıcaklıklarda, normal sıcaklıktaki elektrik direncinden yüzlerce ve binlerce kat daha az olan özgül elektrik direnci p'nin çok küçük bir değerine ulaşabilir. Bu özelliklere sahip malzemelere kriyo iletkenler (hiper iletkenler) denir.
Fiziksel olarak, kriyoiletkenlik olgusu, süperiletkenlik olgusuna benzemez. Çalışma sıcaklıklarındaki kriyo iletkenlerdeki akım yoğunluğu, normal sıcaklıktaki akım yoğunluğundan binlerce kat daha yüksektir; bu, güvenilirlik ve patlama güvenliği için yüksek gereksinimlere tabi olan yüksek akımlı elektrikli cihazlarda kullanımlarını belirler.
Elektrikli makinelerde, kablolarda vb. kriyo iletkenlerin uygulanması süper iletkenlere göre önemli bir avantaja sahiptir.
Süper iletken cihazlarda sıvı helyum kullanılıyorsa, daha yüksek kaynama noktası ve ucuz soğutucu akışkanlar - sıvı hidrojen ve hatta sıvı nitrojen - nedeniyle kriyo iletkenlerin çalışması sağlanır. Bu, cihazın üretim ve çalıştırma maliyetini basitleştirir ve azaltır. Bununla birlikte, belirli bir bileşen oranında hava ile patlayıcı bir karışım oluşturan sıvı hidrojen kullanıldığında ortaya çıkan teknik zorlukları dikkate almak gerekir.
Kriyoişlemciler olarak bakır, alüminyum, gümüş, altın kullanılır.
Kaynak Bilgisi: "Elektromalzemeler" Zhuravleva L. V.