2. Надпровідники та кріопровідники
В 1911 р. нідерландський фізик Х. Камерлінг – Оннес, при дослідженні електропровідності металів при «гелієвих» температурах (температура переходу гелію в рідкий стан, при нормальному тиску, 4,2 [К]) зробив відкриття, що опір кільця з замороженої ртуті, стрибком зменшується до мізерного значення, яке дуже важко виміряти. Таке явище отримало назву надпровідності.
Температура, при охолодженні до якої, речовина переходить в надпровідний стан, називається температурою надпровідного переходу ТН. Речовини, які здатні переходити в надпровідний стан, називаються – надпровідниками. Явище надпровідності носить зворотній характер, а саме при підвищенні температури надпровідність зникає і речовина переходить в нормальний стан з кінцевим значенням питомої провідності γ. Відомо 35 надпровідникових металів та більше тисячі сплавів та хімічних з’єднань різноманітних елементів. Явище надпровідності пов’язане з тим, що електричний струм одного разу наведений в надпровідному контурі, буде тривалий час (роками) циркулювати по цьому контуру без будь-якого підведення енергії ззовні (без урахування витрат енергії на роботу пристрою охолодження, який має підтримувати температуру контуру нижче значення ТН, характерного для даного надпровідного матеріалу). Такий надпровідний контур створює в просторі магнітне поле, подібне постійному магніту. Однак на практиці виготовити працюючий надпровідниковий електромагніт, який здатний створити в просторі магнітне поле з достатньо великими значеннями напруженості магнітного поля Н та магнітної індукції В виявилося проблематично. З’ясувалося, що надпровідність порушується не тільки при підвищенні температури до значень, що перевищують ТН але і при виникненні на поверхні надпровідника магнітного поля з магнітною індукцією, що перевищує індукцію переходу ВН. Кожному значенню температури ТН матеріалу, який знаходиться у стані надпровідності, відповідає відповідне значення індукції переходу ВН. Найбільша можлива температура переходу ТН0 (критична температура) даного надпровідникового матеріалу відповідає критичній магнітній індукції ВН0 і навпаки.
Параметри надпровідникових матеріалів
|
Надпровідник |
ТН0, [К] |
ВН0, [Тл] |
|
Елементарні І роду: |
||
|
Ірідій Ir |
0,14 |
0,002 |
|
Алюміній Al |
1,2 |
0,01 |
|
Олово Sn |
3,7 |
0,031 |
|
Ртуть Hg |
4,2 |
0,046 |
|
Тантал Та |
4,5 |
0,083 |
|
Cвинець Pb |
7,2 |
0,08 |
|
Елементарні ІІ роду: |
||
|
Ніобій Nb |
9,4 |
0,195 |
|
Ванадій V |
5,3 |
0,13 |
|
Складні сплави ІІ роду: |
||
|
50% Nb +50% Ті |
8,7 |
12 |
|
50% Nb +50% Zr |
9,5 |
11 |
|
З’єднання ІІ роду: |
||
|
Галід ванадію V3Ga |
14 |
50 |
|
Станнід ніобію Nb3Sn |
18 |
22 |
В 1933 році німецькі фізики В. Майснер та Р. Оксенфельд зробили нове фундаментальне відкриття: надпровідники при переході з нормального в надпровідний стан стають ідеальними діамагнетиками, тобто їх відносна магнітна проникність стрибком зменшується від кінцевих значень (для більшості надпровідників приблизно дорівнює 1) до µr=0. Тому зовнішнє магнітне поле не може проникнути в надпровідниковий матеріал – надпровідники здатні відштовхувати його.
Розрізняють напівпровідники:
І роду – перехід у стан надпровідності, при охолодженні, відбувається стрибком;
ІІ роду – перехід у стан надпровідності при охолодженні, відбувається поступово; також у них існує проміжній стан між нижнім ВНниж. та верхнім ВНверх. значеннями критичної магнітної індукції переходу, що відповідають значенням температур Т< ТН0.
У порівнянні з надпровідниками І роду надпровідники ІІ роду мають більш високі значення, як критичної температури переходу ТН0 так і критичної магнітної індукції ВН0. Останній фактор є визначальним для широкого застосування надпровідників в сучасних електричних апаратах.
Перспективним напрямком, є пошук так званих «теплих» надпровідників, з більш високою температурою переходу у стан надпровідності ТН, що зменшить складність та вартість апаратури охолодження.
Кріопровідники («кріос» – з грецького холод).
Крім явища надпровідності в сучасній електротехніці все ширше використовується явище кріопровідності, тобто поступове (без стрибків) досягнення металами малого питомого опору, при кріогенних температурах, без переходу їх в надпровідний стан. Такі метали називаються кріопровідниками. Питомий опір кріопровідника при робочій температурі може бути меншим за питомий опір цього ж провідника при нормальній температурі в сотні, а в деяких випадках і в тисячі разів.
Кріопровідність це – особливий випадок нормальної електропровідності металів при кріогенних температурах. Найчастіше, в якості кріопровідників використовуються: алюміній при температурі рідинного водню та берилій при температурі рідинного азоту. Застосування кріопровідників замість надпровідників приводить до спрощення та зменшення вартості виконання теплової ізоляції пристроїв, зниження витрат потужності на їх охолодження. Крім того, в надпровідному контурі з великим струмом накопичується значна кількість енергії магнітного поля (W=L·I2/2, де L – індуктивність, [Гн]; I – сила струму, [А]). При випадковому підвищенні температури або магнітної індукції вище значень, що відповідають переходу надпровідника в нормальний стан хоча б в малій частині надпровідного контуру, надпровідність буде порушена, що приведе до швидкого вивільнення великої кількості енергії. Для кріопровідника такої небезпеки не існує, оскільки підвищення температури може вплинути тільки на поступове, плавне збільшення його опору. Для отримання високоякісних кріопровідників необхідні виключно висока чистота металу (відсутність домішок) та відсутність наклепу (виникає при відпалюванні).
3. Сплави високого опору та спеціальні сплави. Контактні матеріали. Неметалеві провідники
Сплави високого опору мають при нормальній температурі питомий опір ρ ≥ 0,3 [мкОм· м]
При використанні сплавів високого опору:
у вимірювальних приладах та в якості зразкових резисторів, вони повинні мати:
високий питомий опір;
високу стабільність питомого опору в часі;
малий температурний коефіцієнт питомого опору αρ;
малий коефіцієнт термо – е.р.с. у парі з міддю.
в електронагрівальних елементах:
повинні бути здатними працювати тривалий час у повітряному середовищі при високих температурах до 1000 0С.
Бажано, щоб сплави, які використовуються для приладів, що виготовляються у великих кількостях були дешевими і не містили дефіцитних компонентів.
Манганін – найбільш широко використовується для виготовлення зразкових резисторів. Склад: мідь (Cu) – 85%; марганець (Mn) – 12%; нікель (Ni) – 3%.
Назва походить від латинської назви марганцю – «manganum». Сплав має жовтуватий колір завдяки вмісту великої кількості міді.
Параметри манганіну:
питомий опір ρ=0,42÷0,48 [мкОм·м];
температурний коефіцієнт питомого опору αρ=(5÷30)·10–6[К-1];
коефіцієнт термо-е.р.с. у парі з міддю складає 1÷2 [мкВ/K];
максимальна робоча температура, при якій тривалий час він може експлуатуватися ≤ 200 0С;
щільність 8,4 [Мг/м3];
межа міцності при розтягуванні σρ=450÷600 [МПа];
відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=15÷30%.
Манганін може витягуватися в тонкий дріт (діаметром до 0,02 [мм]). Для забезпечення малого температурного коефіцієнта питомого опору αρ та стабільного в часі питомого опору ρ – манганіновий дріт проходить термічну обробку, шляхом її випалювання у вакуумі при температурі 550÷600 0С з наступним повільним охолодженням. Намотані котушки іноді додатково відпалюються при температурі 2000С.
Константан – сплав в склад якого входять: мідь (Cu) – 60%; нікель (Ni) – 40%. Назва «константан» пояснюється значною стабільністю його питомого опору при зміні температури. Стійкість до нагрівання у константану є вищою ніж у манганіну, тому перший може застосовуватися для виготовлення реостатів, електронагрівальних елементів та термопар для вимірювання температури в межах декілька сотень градусів.
Параметри константану:
питомий опір ρ=0,48÷0,52 [мкОм·м];
температурний коефіцієнт питомого опору αρ=(5÷25)·10–6[К-1];
коефіцієнт термо-е.р.с. у парі з міддю складає 45÷55 [мкВ/K], що обмежує його застосування у вимірювальних схемах;
максимальна робоча температура, при якій тривалий час він може експлуатуватися 450 0С;
щільність 8,9 [Мг/м3];
межа міцності при розтягуванні σρ=400÷500 [МПа];
відносне подовження перед розривом ∆ℓ/ℓ=20÷40%.
