Криопроводники и сверхпроводники

К криопроводникам и сверхпроводникам относятся металлы, работающие при очень низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Явление сверхпроводимости было открыто В. Камерлинг-Оннесом в 191I г. Им было обнаружено, что при охлаждении до температуры сжижения гелия сопротивление замороженной ртути резким скачком падает практически до нуля, во всяком случае, до значения столь малого, что оно не поддается измерению.

В настоящее время известно 35 таких металлов и большое количество сплавов и химических соединений, у которых при очень низких температурах удельная проводимость становится практически бесконечной величиной. Наличие у вещества такой проводимости называется сверхпроводимостью, а температура, при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, называется температурой сверхпроводящего перехода (Тс).

Вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками. Этот переход является обратимым: при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость исчезает и вещество переходит снова в обычное состояние с конечным значением удельной электропроводности γ.

Современная теория сверхпроводников объясняет это явление взаимодействием электронов друг с другом через посредство кристаллической решетки и образование связанных пар электронов, т.е. куперовских пар.

Из-за электростатического притяжения электрон слегка притягивает ближайший к себе ион, тот, в свою очередь подтягивает к себе другой электрон (находящийся по другую сторону нона). Эти два электрона имеют противоположные спины (и импульсы). Одновременно они отталкиваются, будучи одноименно заряженными.

В некоторых металлах при весьма низких температурах притяжение через посредство решетки оказывается сильнее этого отталкивания, и электроны связываются попарно. Т.к. энергия связи электронов в паре невысока, то каждая такая пара существует ограниченное время, затем разрушается, однако в целом энергия электронной системы из-за этого процесса спаривания уменьшается и металл переходит в сверхпроводящее состояние.

При этом электронные пары не испытывают рассеяния, что и приводит к почти полному исчезновению сопротивления. Ток, наведенный в замкнутом контуре из сверхпроводника, может существовать сколь угодно долго.

При этом сверхпроводники представляют собой идеальные диамагнетики: магнитное поле, пронизывающее проводник при обычной температуре, выталкивается из него в сверхпроводящем состоянии при условии, что напряженность внешнего магнитного поля не превышает определенного критического значения Нс.

В противном случае сверхпроводящее состояние разрушится. В зависимости от характера перехода из сверхпроводящего состояния в обычное при увеличении магнитного поля различают сверхпроводники 1-го рода - свинец, ртуть, индий, олово, алюминий, у которых переход в нормальное состояние происходит скачком, и сверхпроводники 2-го рода, у которых этот переход происходит постепенно (ниобий, ванадий и технеций, а так же большое число сплавов и химических соединений). Явление сверхпроводимости обнаружено у некоторых веществ, не обладающих этим эффектом при нормальном давлении, при воздействии высокого гидростатического давления. Сверхпроводящие свойства отмечены у полупроводников, например у антимонида индия InSb, и даже у диэлектриков - серы и ксенона (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Параметры сверхпроводников

Помимо сверхпроводимости в современной электротехнике используется криопроводимость, т.е. работа металла при криогенных температурах, когда удельное сопротивление становится очень мало, но является конечной величиной.

Металлы, обладающие таким свойством, но без перехода в сверхпроводящее состояние, называются криопроводниками, для получения качественных криопроводников требуется высокая чистота металла.

Как правило, используются металлы, имеющие при криогенных температурах (которые выше температур сверхпроводимости) наименьшее удельное сопротивление. К ним относятся: при температуре жидкого водорода - алюминий, а при температуре жидкого азота бериллий (20.3 и 77,4 К соответственно).

4.Металлы с большим удельным сопротивлением. Характеристики. Область применения.

Вольфрам- чрезвычайно тяжелый твердый металл серого цвета. Из всех металлов он обладает наиболее высокой температурой плавления. Вольфрам получают из руд различного состава; промежуточным продуктом является вольфрамовая кислота Н₂WО₄ , из которой восстановлением водородом при при нагреве до 900⁰С получается металлический вольфрам в виде мелкого порошка. Из этого порошка при высоком давлении прессуют стержни, которые подвергают сложной термической обработке в атмосфере водорода ( во избежание окисления), ковке и волочению в проволоку диаметром до 0,01 мм, прокатке в листы и т.п. для вольфрама характерна слабая связанность отдельных кристаллов.

Золото- металл желтого цвета, обладающей высокой пластичностью ( предел прочности при растяжении 150МПа, относительное удлинение перед разрывом 40%). В электротехнике золото используется как контактный материал для коррозионно-стойких покрытий, электродов фотоэлементов и для других целей.

Серебро - белый, блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре. Серебро имеет меньшее удельное сопротивление ρ (при нормальной температуре), чем какой бы то ни было другой металл. Серебро применяют также для непосредственного нанесения на диэлектрики в качестве электродов в производстве керамических и слюдяных конденсаторов.

Платина- металл, практически не соединяющийся с кислородом и весьма стойкий к химическим реагентам. Платина прекрасно поддается механической обработке, вытягивается в очень тонкие нити и ленты. Значение σ_р платины после отжига около 150МПа. Платину применяют, в частности для изготовления термопар для измерения высоких температур – до 1600⁰С. Особо тонкие нити из пластины ( диаметром около 1 мкм) для подвесок подвижных систем в электрометрах и других чувствительных приборах.

Палладий по многим свойствам близок платине и в некоторых случаях служит ее заменителем. Палладий используют в электровакуумной технике для поглощения водорода. Палладий и его сплавы с серебром и медью применяются в качестве контактных материалов.

Никель – серебристо-белый металл, широко применяемый в электровакуумной технике; его достаточно легко получить в очень чистом виде; иногда в него вводят специальные легирующие присадки ( кремний, марганец и др.)

Кобальт получают металлургическим путем с последующей очисткой или восстановлением оксида кобальта водородом. Кобальт мало химически активен. Он применяется в качестве составной части многих магнитных и жаростойких сплавов.

Свинец- металл сероватого цвета, дающей на свежем срезе сильный металлический блеск, но затем быстро тускнеющей вследствие поверхностного окисления.

Олово- серебристо-белый металл, обладающий ясно выраженным кристаллическим строением. При изгибе прутка олова слышен треск, вызываемый трением кристаллов друг о друга. Олово- мягкий, текучий металл, позволяющий получать путем прокатки тонкую фольгу. Олово используют в качестве защитных покрытий метало (лужение); оно входит в состав бронз и припоев.

Кадмий – серебристо- белый металл, являющийся постоянным спутником цинка в его рудах и добываемый как побочный продукт при металлургии цинка; подвергается электролитической очистке.

Ртуть- единственный металл, находящийся в жидком состоянии при нормальной температуре. Ее добывают из киновари HgS путем термического разложения при температуре около 500⁰С и затем подвергают многократной очистке, заканчивающейся вакуумной перегонки при температуре около 200⁰С. Ртуть применяется в газоразрядных приборах.

5.Неметаллические проводники. Характеристики проводимости неметаллических проводников.

Электроугольные изделия. Из числа твердых неметаллических проводниковых материалов наибольшее значение имеют материалы на основе углерода( электротехнические угольные изделия, сокращено электроугольные изделия). Из угля изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электротехнических ванн, аноды гальванических элементов. Угольные порошки используют в микрофонах для создания сопротивления, изменяющегося от звукового давления. Из угля делают высокоомные резисторы, разрядники для телефонных сетей; угольные изделия применяют в электровакуумной технике.

В качестве сырья для производства электроугольных изделий можно использовать сажу, графит или антроцит. Для получения стержневых электродов измельченная масса со связующим в качестве которого используется каменноугольная смола, а иногда и жидкое стекло, продавливается сквозь мундштук. Изделия более сложной формы изготавливают в соответствующих пресс-формах. Угольные заготовки проходят процесс обжига. Режим обжига определяет форму, в которой углерод будет находится в изделии. При высоких температурах достигается искусственный перевод углерода в форму графита, вследствие чего такой процесс носит название графитирования.

Контрольные вопросы:

1.По каким признакам классифицируют проводники?

2.Что называют электропроводностью металла?

3. Какие свойства у проводниковых материалов?

4. Что можете рассказать о температурном коэффициенте удельного сопротивления металлов?

5. Как влияет удельное сопротивление на сплавы?

6.Как и где возникает темоэдс ?

7.Что относится к материалам высокой проводимости?

8.Какие материалы относят к криопроводникам?

9. Какие материалы относят к сверхпроводникам?

10.Неметаллические проводники. Характеристики проводимости неметаллических проводников?

Лабораторная работа №2