Сверхпроводниковые материалы

Получают такие материалы путем спе­кания тонкоизмельченной смеси оксидов иттрия, меди с карбона­том бора. Полученный таким способом образец сверхпроводящей керамики состоит из двух фаз (соединений). Одна фаза изумрудно-зеленого цвета, прозрачная и содержит ионы иттрия, бария и меди в соотношении 2:1:1. Другая фаза черного цвета, непрозрачная, содержит большее количество меди. Соотношение иттрия, бария и меди в ней 1:2:3. Именно эта фаза и обладает сверхпроводящи­ми свойствами.

Сверхпроводящие свойства Y-Ва-Сu-О системы зависят от соотношения двухвалентной и трехвалентной меди Cu²⁺/Cu³⁺; изме­няя это соотношение можно регулировать сверхпроводящие свойст­ва. К настоящему времени получены сверхпроводники, имеющие температуру перехода от -168°С до -163°С и плотность тока в сверхпроводящем состоянии до 10⁴А/см², что несколько меньше, чем для металлических «традиционных» сверхпроводников.

Ведется поиск новых материалов, обладающих большей плот­ностью тока и более высокой температурой перехода в сверхпрово­дящее состояние. Перспективными в этом отношении являются так называемые висмутовые системы с химической формулой Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x, температура перехода которых достигает -158°С.

Сверхпроводниковые материалы получили достаточно широкое применение в различных областях науки и техники. Их используют для создания сверхсильных магнитных нолей в достаточно большой области пространства; для изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов, обладающих малой массой и габаритами, но очень высоким КПД; сверхпроводящих кабелей для мощных ли­ний передачи энергии: волноводов с очень малым затуханием; мощных накопителей электрической энергии; устройств памяти и управления. ЭффектМайснера-Оксенфельда (заключаящаяся в том, что при переходе образца в сверхпроводящее состояние магнитное поле выталкивается из него, т.е. материал становится идеальным диамагнетиком), наблюдаемый эффект в сверхпроводниках, используется для создания опор без трения и вращающихся электрических машин с КПД, равным почти 100 %. Явление «сверхпроводящего подвеса» (левитации) применяется в гироскопах и в поездах сверхскоростной железной дороги и т. д.

Криопроводники. К их числу относятся материалы (Cu, Al), которые при глубоком охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпро­водящее состояние. Это объясняется тем, что при низкой температу­ре удельное сопротивление проводника обусловлено, как правило, наличием примесей и физическими дефектами решетки. Поскольку составляющая удельного сопротивления, обусловленная рассеиванием энергии за счет тепловых колебаний решетки, пренебрежимо мала, для криопроводников, необходимо применять хорошо отож­женный металл высокой чистоты, который облаает минимальным удельным сопротивлением в рабочем диапазоне температур от -240 до -190^○С. Использование алюминия в качестве криопроводящего материала более ра­ционально, так как он более доступен, дешев и имеет низкие значения удельного электричес­кого сопротивления в рабочем диапазоне температур. Например, алюминий марки А999, со­держащий примесей не более 0,001%, при температуре жид­кого гелия имеет удельное со­противление не более (1-2)×10^-6мкОм·м.

Криопроводники применяют­ся в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов, работающих при тем­пературах жидкого водорода (-252,6°С), неона (-245,7°С) и азота (-195,6°С).

Сплавы с большим удельным сопротивлением. К таким материа­лам относятся сплавы, имеющие при нормальных условиях удель­ное электрическое сопротивление не менее 0,3мкОм·м. Эти материа­лы нашли достаточно широкое применение при изготовлении раз­личных электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т. д.

Для изготовления электроизмерительных приборов, образцо­вых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления. К числу таких материалов относятся манганин, константан и ни­хром, основные параметры которых приведены в табл. 6.3.

Манганин – это медно-никелевый сплав, содержащий в среднем 2,5—3,5 % никеля (с кобальтом), 11,5-13,5 % марганца, 85,0—89,0 % меди. Содержание примесей в нем, среди которых главным является железо, не должно превышать 0,9 %. Легирова­ние марганцем, а также проведение специальной термообработки при 400 °С, позволяет стабилизировать удельное сопротивление манганина в интервале температуры от -100 до +100 ^○С.

Манганин име­ет очень малое значение термоЭДС в паре с медью, высокую стабиль­ность удельного сопротивления во времени, что позволяет широко использовать его при изготовлении резисторов и электроизмери­тельных приборов самых высоких классов точности.

Константан содержит те же компоненты, что и манганин, но в несколько иных соотношениях: никель (с кобальтом) – 39-41%, марганец – 1-2, медь – 56,1-59,1%. Содержание при­месей также должно быть не более 0,9 %. Само название сплава го­ворит о практической независимости его удельного электрическо­го сопротивления от температуры, поскольку абсолютное значение коэффициента удельного сопротивления этого сплава не превышает 2·10^-6 °С^-1. По нагревостойкости константан превосходит манганин, что позволяет использовать его в реостатах и нагревательных элементах, работающих при температуре до 500°С. Высокие меха­нические характеристики, сочетающиеся с пластичностью, позво­ляют изготовлять из этого сплава тончайшую проволоку, ленты, по­лосы и фольгу. Высокое значение термоЭДС в паре с медью и желе­зом исключает применение константана в электроизмерительных приборах высокой точности, но с успехом используются при изго­товлении термопар. Следует отметить также, что наличие в соста­ве константана достаточно большого количества дорогого и дефи­цитного никеля ограничивает его использование в изделиях массо­вого производства.

Таблица 6.3