Superconduttori e crioconduttori
Superconduttori e crioconduttori
Conosciuto 27 metalli puri e più di mille diverse leghe e composti in cui è possibile una transizione a uno stato superconduttore. Questi includono metalli puri, leghe, composti intermetallici e alcuni materiali dielettrici.
Superconduttori
Quando la temperatura scende resistenza elettrica specifica dei metalli diminuisce e a temperature molto basse (criogeniche), la conduttività elettrica dei metalli si avvicina allo zero assoluto.
Nel 1911, raffreddando un anello di mercurio congelato a una temperatura di 4,2 K, lo scienziato olandese G. Kamerling-Onnes scoprì che la resistenza elettrica degli anelli scendeva improvvisamente a un valore molto piccolo che non poteva essere misurato. Tale scomparsa della resistenza elettrica, ad es. la comparsa di una conduttività infinita in un materiale è chiamata superconduttività.
I materiali con la capacità di passare in uno stato superconduttore quando vengono raffreddati a un livello di temperatura sufficientemente basso iniziarono a essere chiamati superconduttori.La temperatura critica di raffreddamento alla quale si verifica una transizione della materia in uno stato superconduttore è chiamata temperatura di transizione superconduttiva o temperatura critica di transizione Tcr.
Una transizione superconduttiva è reversibile. Quando la temperatura sale a Tc, il materiale ritorna al suo stato normale (non conduttivo).
Una caratteristica dei superconduttori è che una volta indotta in un circuito superconduttore, la corrente elettrica circolerà per lungo tempo (anni) lungo questo circuito senza apprezzabile riduzione della sua forza e, inoltre, senza un ulteriore apporto di energia dall'esterno. Come un magnete permanente, un tale circuito crea nello spazio circostante campo magnetico.
Nel 1933, i fisici tedeschi V. Meissner e R. Oxenfeld stabilirono che i superconduttori durante la transizione allo stato superconduttore diventano diamagneti ideali. Pertanto, il campo magnetico esterno non penetra in un corpo superconduttore. Se la transizione del materiale a uno stato superconduttore avviene in un campo magnetico, il campo viene "spinto" fuori dal superconduttore.
I superconduttori noti hanno temperature critiche di transizione Tc molto basse. Pertanto, i dispositivi in cui utilizzano superconduttori devono funzionare in condizioni di raffreddamento dell'elio liquido (la temperatura di liquefazione dell'elio a pressione normale è di circa 4,2 DA SE). Ciò complica e aumenta i costi di produzione e gestione dei materiali superconduttori.
Oltre al mercurio, la superconduttività è inerente ad altri metalli puri (elementi chimici) e varie leghe e composti chimici. Tuttavia, nella maggior parte dei metalli come argento e rame, le basse temperature raggiunte al momento diventano superconduttrici se la condizione fallisce.
Le possibilità di utilizzo del fenomeno della superconduttività sono determinate dai valori della temperatura di transizione allo stato superconduttivo di Tc e dalla forza critica del campo magnetico.
Materiali superconduttori divisi in morbidi e duri. I superconduttori morbidi includono metalli puri, ad eccezione di niobio, vanadio, tellurio. Il principale svantaggio dei superconduttori morbidi è il basso valore dell'intensità del campo magnetico critico.
Nell'ingegneria elettrica, i superconduttori morbidi non vengono utilizzati, poiché lo stato superconduttore in essi scompare già in campi magnetici deboli a basse densità di corrente.
I superconduttori solidi includono leghe con reticoli cristallini distorti. Mantengono la superconduttività anche a densità di corrente relativamente elevate e forti campi magnetici.
Le proprietà dei superconduttori solidi sono state scoperte a metà di questo secolo e fino ad ora il problema della loro ricerca e applicazione è uno dei problemi più importanti della scienza e della tecnologia moderne.
I superconduttori solidi hanno una serie di funzioni:
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al raffreddamento, il passaggio allo stato superconduttore non avviene bruscamente, come nei superconduttori soffici e per un certo intervallo di temperatura;
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alcuni dei superconduttori solidi hanno non solo valori relativamente elevati di temperatura di transizione critica Tc, ma anche valori relativamente elevati di induzione magnetica critica Vkr;
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nei cambiamenti nell'induzione magnetica si possono osservare stati intermedi tra superconduttore e normale;
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hanno la tendenza a dissipare energia quando passano corrente alternata attraverso di loro;
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proprietà di dipendenza della superconduttività dai metodi tecnologici di produzione, dalla purezza del materiale e dalla perfezione della sua struttura cristallina.
In base alle proprietà tecnologiche, i superconduttori solidi sono suddivisi nei seguenti tipi:
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relativamente facilmente deformabile di cui fili e nastri [niobio, leghe niobio-titanio (Nb-Ti), vanadio-gallio (V-Ga)];
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difficile da deformare a causa della fragilità, da cui si ottengono prodotti con metodi di metallurgia delle polveri (materiali intermetallici come il niobio staniuro Nb3Sn).
Spesso fili superconduttori ricoperti da una guaina "stabilizzante" in rame o altro materiale altamente conduttivo elettricità e il calore del metallo, che permette di evitare di danneggiare il materiale di base del superconduttore con un aumento accidentale della temperatura.
In alcuni casi vengono utilizzati fili superconduttori compositi, in cui un gran numero di sottili filamenti di materiale superconduttore sono racchiusi in una solida guaina di rame o altro materiale non conduttore.
I film superconduttori hanno proprietà speciali:
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la temperatura di transizione critica Tcr in alcuni casi supera significativamente i materiali sfusi Tcr;
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grandi valori delle correnti limite passate attraverso il superconduttore;
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minore intervallo di temperatura della transizione allo stato superconduttore.
I superconduttori vengono utilizzati per la realizzazione di: macchine elettriche e trasformatori di piccola massa e dimensioni con elevato fattore di efficienza; grandi linee in cavo per la trasmissione di potenza su lunghe distanze; guide d'onda particolarmente a bassa attenuazione; aziona dispositivi di alimentazione e memoria; lenti magnetiche di microscopi elettronici; bobine di induttanza con cablaggio stampato.
Basato su film superconduttori ha creato una serie di dispositivi di archiviazione e elementi di automazione e tecnologia informatica.
Le bobine elettromagnetiche dei superconduttori consentono di ottenere i massimi valori possibili di intensità del campo magnetico.
Criosonde
Alcuni metalli possono raggiungere a basse temperature (criogeniche) un valore molto piccolo della resistenza elettrica specifica p, che è centinaia e migliaia di volte inferiore alla resistenza elettrica a temperatura normale. I materiali con queste proprietà sono chiamati crioconduttori (iperconduttori).
Fisicamente, il fenomeno della crioconduttività non è simile al fenomeno della superconduttività. La densità di corrente nei crioconduttori a temperature di esercizio è migliaia di volte superiore alla densità di corrente in essi a temperatura normale, il che ne determina l'uso in dispositivi elettrici ad alta corrente soggetti a requisiti elevati di affidabilità e sicurezza contro le esplosioni.
Applicazione di crioconduttori in macchine elettriche, cavi, ecc. ha un vantaggio significativo rispetto ai superconduttori.
Se l'elio liquido viene utilizzato nei dispositivi superconduttori, il funzionamento dei crioconduttori è garantito dal punto di ebollizione più elevato e dai refrigeranti economici: idrogeno liquido o persino azoto liquido. Ciò semplifica e riduce i costi di produzione e funzionamento del dispositivo. Tuttavia, è necessario considerare le difficoltà tecniche che sorgono quando si utilizza l'idrogeno liquido, formando, con un certo rapporto di componenti, una miscela esplosiva con l'aria.
Poiché i crioprocessori usano rame, alluminio, argento, oro.
Informazioni sulla fonte: "Elettromateriali" Zhuravleva L. V.