Перспективы применения сверхпроводников

Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железном сердечнике, можно создавать поля до 2Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400А/см².

Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000А/см². Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4К).

Объемные образцы иттрий - барий - оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см² при температуре жидкого азота (77К) в поле 1Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000А/см².

Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.

Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%.

Криопроводники

Это материалы, удельное сопротивление которых достигает малых значений при криогенных температурах (ниже -173^оС). Сверхпроводящее состояние в этих материалах не наблюдается. Наиболее широко в качестве криопроводников применяется чистая медь и алюминий (марки А999 с 0.001% примесей), берилий (0.1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А999 удельное электрическое сопротивление равно (1 - 2)^.10^-6мкОм^.м.

Применяются криопроводники в основном для изготовления жил кабелей, проводов, работающих при температурах жидкого водорода (-252.6^оС), неона (-245.7^оС) и азота (-195.6^оС).

Контактные материалы

Для разрывных контактов в слаботочных контактах, кроме чистых тугоплавких металлов вольфрама и молибдена применяют платину, золото, серебро, сплавы на их основе и металлокерамические композиции, например, Ag - CdO.

Сильноточные разрывные контакты обычно изготовляют из металлокерамических материалов и композиций, например, серебро - никель, серебро - графит, медь - вольфрам - никель и др.

Для скользящих контактов часто используют контактные пары из металлического и графитосодержащего материалов, а также проводниковые бронзы, латуни (сплавы меди и цинка), твердую медь и медь, легированную серебром (для коллекторных пластин) и др. материалы.

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 Общие сведения

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Намагничивание вещества характеризуют: маг­нитная индукция В (Тл), напряженность магнитного поля H (А/м), намагниченность / (А/м), магнитная восприимчивость к_т, магнит­ная проницаемость ц, магнитный поток Ф (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

J = k H. (7.1)

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делят­ся на

- диамагнитные (диамагнетики),

-парамагнитные (парамагне­тики),

-ферромагнитные (ферромагнетики),

-антиферромагнитные (антиферромагнетики),

-ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетизм имеется во всех веществах и связан с тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное дви­жение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный мо­мент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внеш­него магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков к (отрицательная) по абсолютному значению очень мала и не зави­сит от температуры и напряженности магнитного поля.

К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками).

Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из ато­мов с не полностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, и взаимодействие между ними отсутствует. По­этому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентиру­ются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, име­ет небольшое значение (от Ю^-5 до 1(H) и не зависит от напряженно­сти внешнего магнитного поля, но зависит от температуры.

Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие маг­нитным моментом (незаполненные электронные оболочки), одна­ко расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, кото­рое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодным в зависимости от расстояния становит­ся параллельная ориентация магнитных моментов соседних ато­мов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагне­тизм).

Под действием обменных сил параллельная ориентация магнит­ных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствие внешнего поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это вза­имодействие длится только до определенной критической темпе­ратуры, которая называется температурой Кюри. Выше темпера­туры Кюри домены разрушаются, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намаг­ничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 10⁶) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнит­ного поля.

Необходимым условием существования ферромагнетизма счи­тается наличие кристаллической решетки, однако известны амор­фные ферромагнетики.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во время обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а харак­теризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к вос­приимчивости парамагнетиков. При температуре выше некоторой критической, которая получила название температуры Нееля (ана­логична температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние ан­тиферромагнетика разрушается, и он переходит в парамагнитное состояние.

К ферромагнетикам относят вещества, в которых обменное вза­имодействие осуществляется не непосредственно между магнито-активными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через не­магнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют кос­венным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев в ферримагнитных веществах приводит к ан­типараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. к антиферромагнитному упорядочению). Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также их моменты могут быть неодинаковыми. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируют­ся, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру, которая исчезает выше температуры Кюри.

Диа-, пара- и антиферромагнитные вещества относятся к слабо­магнитным, ферро- и ферримагнитные вещества являются сильно­магнитными. В качестве магнитных материалов техническое при­менение в электротехнике находят ферромагнитные и ферримаг­нитные вещества.