Сверхпроводники и криопроводники

Министерство Образования  и Науки Российской Федерации                                   Государственное Образовательное Учреждение                                                              Высшего Профессионального Образования                                                                    Новосибирский Государственный Технический Университет

 

 

Кафедра Полупроводниковых  Приборов и Микроэлектроники

 

 

 

Расчетно-графическое задание

«Сверхпроводники и криопроводники»

 

 

 

 

 

Факультет: РЭФ

Группа: РЭ3-11

Студент: Дольникова А. С.

Преподаватель: Дикарева Р. П.

Отметка о защите:

 

 

 

 

Новосибирск, 2012

Содержание.

 

1. Сверхпроводники: общие сведения;
2. Требования, предъявляемые к сверхпроводникам ;
3. Эффект Мейсснера;
4. Классификация сверхпроводников;
5. Применение в РЭА и ЭВА аппаратуре.
6. Криопроводники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сверхпроводники

Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры T_св, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления

постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца.  Критическая температура охлаждения, при которой происходит переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводимого перехода. Переход в сверхпроводимое состояние является обратимым. При повышении температуры до Т_св материал возвращается в нормальное (непроводящее) состояние.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена у ртути (T_св=4,2 К) голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом еще в 1911 г. Оннес хотел выяснить, сколь малым может стать сопротивление вещества электрическому току, если максимально очистить вещество от примесей и максимально снизить «тепловой шум», т.е. уменьшить температуру. Результат этого исследования оказался неожиданным: при температуре ниже 4,15 К сопротивление почти мгновенно исчезло. График такого поведения сопротивления в зависимости от температуры приведен на рис. 1.

Рис.1

Если в кольце из сверхпроводника  индуцировать электрический ток (например, с помощью магнитного поля), то он не будет затухать в течение длительного времени. По скорости уменьшения магнитного поля наведенного тока в кольце была произведена оценка удельного сопротивления материалов в сверхпроводящем состоянии, которое составило около 10^-25Ом·м, что в 10¹⁷ раз меньше сопротивления меди при комнатной температуре.

При R=0 разность потенциалов на любом отрезке сверхпроводника равна нулю. Это означает, что электрическое поле внутри сверхпроводящего материала отсутствует. Электроны, создающие ток, в этом случае движутся с постоянной скоростью, не рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов решетки и ее неоднородностях. Чтобы создать сверхпроводящий ток, нужно затратить лишь начальную энергию, ускоряя электроны до определенной скорости дрейфа. Ситуация меняется, если к сверхпроводнику прикладывается переменное электрическое поле. В течение каждого периода создаваемый ток изменяет свое направление. Следовательно, в сверхпроводнике должно существовать электрическое поле, которое периодически замедляет электроны и ускоряет их в противоположном направлении. Так как на это расходуется энергия от внешнего источника питания, электрическое сопротивление на переменном напряжении в сверхпроводящем состоянии не равно нулю. Переход вещества в сверхпроводящее состояние при его охлаждении происходит в очень узком интервале температур.

Требования, предъявляемые  к сверхпроводникам

Известные сверхпроводники имеют  весьма низкие критические температуры перехода Т_св . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном давлении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов. Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым металлам (химическим элементам) и различным сплавам и химическим соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Возможности использования явления  сверхпроводимости определяются значениями температуры перехода в сверхпроводящее  состояние Т_св  и критической напряженности магнитного поля.

 

Эффект Мейсснера

 

О его наблюдении сообщили немецкие физики В. Мейсснер и Р. Оксенфельд в 1933 году. До сих пор мы называли сверхпроводимостью исчезновение электрического сопротивления. Однако сверхпроводимость — нечто более сложное, чем просто отсутствие сопротивления. Это еще и определенная реакция на внешнее магнитное поле. Эффект Мейсснера заключается в том, что постоянное не слишком сильное магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего образца. В толще сверхпроводника магнитное поле ослабляется до нуля, сверхпроводимость и магнетизм можно назвать как бы противоположными свойствами.

При поиске новых сверхпроводников проверяются оба главных свойства сверхпроводимости:

• в сверхпроводнике обращается в нуль электрическое сопротивление;
• из сверхпроводника выталкивается магнитное поле.

В некоторых случаях в  «грязных» сверхпроводниках падение  сопротивления с температурой может  быть гораздо более растянутым, чем  это изображено на рис. 1 для ртути. В истории исследований неоднократно бывало так, что физики принимали за сверхпроводимость падение сопротивления по каким-то другим причинам, например вследствие обычного короткого замыкания.

Для доказательства существования  сверхпроводимости необходимо наблюдать  проявления по меньшей мере обоих  главных ее свойств. Весьма эффектный  опыт, демонстрирующий присутствие  эффекта Мейснера, представлен на рис. 2: постоянный магнит парит над сверхпроводящей чашечкой. Впервые такой опыт осуществил советский физик В. К. Аркадьев в 1945 году.

Рис.2

В сверхпроводнике возникают  выталкивающие магнитное поле токи, их магнитное поле отталкивает постоянный магнит и компенсирует его вес. Существенны и стенки чашечки, которые отталкивают магнит к центру. Над плоским дном положение магнита неустойчиво, от случайных толчков он уйдет в сторону.

Схематическое объяснение эффекта Мейсснера:

а — нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);

б — из нормального состояния при температуре выше T_c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;

 

в — если бы не было эффекта Мейсснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается.

 

Классификация сверхпроводниковых материалов

 

Сверхпроводниковые материалы  подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исключением ниобия, ванадия, теллура. Основным недостатком мягких сверхпроводников является низкое значение критической напряженности магнитного поля.

В электротехнике мягкие сверхпроводники  не применяются, поскольку сверхпроводящее  состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях  при небольших плотностях тока. 

К твердым сверхпроводникам относят сплавы с искаженными кристаллическими решетками. Они сохраняют сверхпроводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных магнитных полях. Свойства твердых сверхпроводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего времени проблема их исследования и применения является одной из важнейших проблем современной науки и техники. Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

• при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние происходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;
• некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только сравнительно высокие значения критической температуры перехода Т_св, но и относительно высокие значения критической магнитной индукции Вкр;
• при изменении магнитной индукции могут наблюдаться промежуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;
• имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;
• зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кристаллической структуры.

По технологическим  свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды: 

1. сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготавливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];
2. трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметаллические материалы типа станнида ниобия Nb3Sn). Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизирующей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего и теплометалла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случайном повышении температуры. В ряде случаев применяют композитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную оболочку из меди или другого не сверхпроводникового материала.

Пленки сверхпроводниковых материалов имеют особые свойства:

• критическая температура перехода Т_св в ряде случаев значительно превышает Т_св объемных материалов;
• большие значения предельных токов, пропускаемых через сверхпроводник;
• меньший температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние.

 

Применение сверхпроводников

 

Сверхпроводники используют при создании: электрических машин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэффициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энергии большой мощности на большие расстояния; волноводов с особо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивности с печатным монтажом.

На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники.

Обмотки электромагнитов из сверхпроводников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Криопроводники

Некоторые металлы могут достигать  при низких (криогенных) температурах весьма малого значения удельного электрического сопротивления р, которое в сотни и тысячи раз меньше, чем удельное электрическое сопротивление при нормальной температуре. Материалы, обладающие такими свойствами, называют криопроводниками (гиперпроводниками).

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости. Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной температуре, что определяет их использование в сильноточных электротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие требования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в  электрических машинах, кабелях  и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверхпроводниками.

Если в сверхпроводниковых устройствах  в качестве охлаждающего агента применяют  жидкий гелий, работа криопроводников  обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упрощает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Однако необходимо учитывать технические трудности, которые возникают при использовании жидкого водорода, образующего при определенном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом. В качестве криопроводников используют медь, алюминий, серебро, золото.

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева «Материалы и элементы электронной техники», Том 1.
2. В. В. Пасынков, В. С. Сорокин «Материалы электронной техники»