Supercondutores e criocondutores

Supercondutores e criocondutores

Conhecidos 27 metais puros e mais de mil ligas e compostos diferentes nos quais é possível uma transição para um estado supercondutor. Estes incluem metais puros, ligas, compostos intermetálicos e alguns materiais dielétricos.

Supercondutores

Quando a temperatura cai resistência elétrica específica dos metais diminui e em temperaturas muito baixas (criogênicas), a condutividade elétrica dos metais se aproxima do zero absoluto.

Em 1911, ao resfriar um anel de mercúrio congelado a uma temperatura de 4,2 K, o cientista holandês G. Kamerling-Onnes descobriu que a resistência elétrica dos anéis caiu repentinamente para um valor muito pequeno que não podia ser medido. Tal desaparecimento de resistência elétrica, ou seja, o aparecimento de condutividade infinita em um material é chamado de supercondutividade.

Materiais com a capacidade de passar para um estado supercondutor quando resfriados a um nível de temperatura suficientemente baixo começaram a ser chamados de supercondutores.A temperatura crítica de resfriamento na qual há uma transição da matéria para um estado supercondutor é chamada de temperatura de transição supercondutora ou temperatura crítica de transição Tcr.

Uma transição supercondutora é reversível. Quando a temperatura sobe para Tc, o material retorna ao seu estado normal (não condutor).

Uma característica dos supercondutores é que, uma vez induzida em um circuito supercondutor, a corrente elétrica circulará por um longo tempo (anos) ao longo desse circuito sem redução apreciável de sua resistência e, além disso, sem fornecimento adicional de energia externa. Como um imã permanente, tal circuito cria no espaço circundante campo magnético.

Em 1933, os físicos alemães V. Meissner e R. Oxenfeld estabeleceram que os supercondutores durante a transição para o estado supercondutor tornam-se diamagnetos ideais. Portanto, o campo magnético externo não penetra em um corpo supercondutor. Se a transição do material para um estado supercondutor ocorrer em um campo magnético, o campo é "empurrado" para fora do supercondutor.

Os supercondutores conhecidos têm temperaturas de transição críticas Tc muito baixas. Portanto, os dispositivos nos quais eles usam supercondutores devem operar sob condições de resfriamento de hélio líquido (a temperatura de liquefação do hélio à pressão normal é de cerca de 4,2 DA SE). Isso complica e aumenta o custo de fabricação e operação de materiais supercondutores.

Além do mercúrio, a supercondutividade é inerente a outros metais puros (elementos químicos) e várias ligas e compostos químicos. No entanto, na maioria dos metais, como prata e cobre, as baixas temperaturas alcançadas no momento tornam-se supercondutoras se a condição falhar.

As possibilidades de usar o fenômeno da supercondutividade são determinadas pelos valores da temperatura de transição para o estado supercondutor de Tc e a força crítica do campo magnético.

Materiais supercondutores divididos em macios e duros. Supercondutores macios incluem metais puros, exceto nióbio, vanádio, telúrio. A principal desvantagem dos supercondutores macios é o baixo valor da intensidade do campo magnético crítico.

Na engenharia elétrica, os supercondutores macios não são usados, porque o estado supercondutor neles já desaparece em campos magnéticos fracos em baixas densidades de corrente.

Os supercondutores sólidos incluem ligas com redes cristalinas distorcidas. Eles retêm a supercondutividade mesmo em densidades de corrente relativamente altas e campos magnéticos fortes.

As propriedades dos supercondutores sólidos foram descobertas em meados deste século, e até agora o problema de sua pesquisa e aplicação é um dos problemas mais importantes da ciência e tecnologia modernas.

Os supercondutores sólidos têm várias funções:

• no resfriamento, a transição para o estado supercondutor não ocorre abruptamente, como nos supercondutores macios e para um determinado intervalo de temperatura;

• alguns dos supercondutores sólidos têm não apenas valores relativamente altos de temperatura crítica de transição Tc, mas também valores relativamente altos de indução magnética crítica Vkr;

• em mudanças na indução magnética, podem ser observados estados intermediários entre supercondutor e normal;

• têm tendência a dissipar energia ao passar corrente alternada por eles;

• propriedades viciantes de supercondutividade de métodos tecnológicos de produção, pureza do material e perfeição de sua estrutura cristalina.

De acordo com as propriedades tecnológicas, os supercondutores sólidos são divididos nos seguintes tipos:

• relativamente facilmente deformável, dos quais fio e tiras [nióbio, ligas de nióbio-titânio (Nb-Ti), vanádio-gálio (V-Ga)];

• difíceis de deformar devido à fragilidade, a partir dos quais os produtos são obtidos por métodos de metalurgia do pó (materiais intermetálicos como o estaneto de nióbio Nb3Sn).

Freqüentemente, fios supercondutores cobertos com uma bainha "estabilizadora" feita de cobre ou outro material altamente condutor eletricidade e o calor do metal, que permite evitar danos ao material base do supercondutor com um aumento acidental de temperatura.

Em alguns casos, são usados ​​fios supercondutores compostos, nos quais um grande número de filamentos finos de material supercondutor é envolvido por uma bainha sólida de cobre ou outro material não condutor.

Materiais de filme supercondutores têm propriedades especiais:

• temperatura de transição crítica Tcr em alguns casos excede significativamente Tcr materiais a granel;

• grandes valores das correntes limitantes passadas pelo supercondutor;

• menor faixa de temperatura da transição para o estado supercondutor.

Os supercondutores são utilizados na criação de: máquinas elétricas e transformadores de pequena massa e dimensões com alto fator de eficiência; grandes linhas de cabos para transmissão de energia em longas distâncias; especialmente guias de onda de baixa atenuação; dirige dispositivos de energia e memória; lentes magnéticas de microscópios eletrônicos; bobinas de indutância com fiação impressa.

Baseados em filmes supercondutores, criaram uma série de dispositivos de armazenamento e elementos de automação e tecnologia de computação.

Bobinas eletromagnéticas de supercondutores permitem obter os valores máximos possíveis de força do campo magnético.

Criossondas

Alguns metais podem atingir em baixas temperaturas (criogênicas) um valor muito pequeno da resistência elétrica específica p, que é centenas e milhares de vezes menor que a resistência elétrica em temperatura normal. Materiais com essas propriedades são chamados de criocondutores (hipercondutores).

Fisicamente, o fenômeno da criocondutividade não é semelhante ao fenômeno da supercondutividade. A densidade de corrente em criocondutores em temperaturas operacionais é milhares de vezes maior que a densidade de corrente neles em temperatura normal, o que determina seu uso em dispositivos elétricos de alta corrente sujeitos a altos requisitos de confiabilidade e segurança contra explosão.

Aplicação de criocondutores em máquinas elétricas, cabos, etc. tem uma vantagem significativa sobre os supercondutores.

Se o hélio líquido for usado em dispositivos supercondutores, a operação dos criocondutores é garantida devido ao ponto de ebulição mais alto e aos refrigerantes baratos - hidrogênio líquido ou mesmo nitrogênio líquido. Isso simplifica e reduz o custo de fabricação e operação do dispositivo. No entanto, é necessário considerar as dificuldades técnicas que surgem ao usar hidrogênio líquido, formando, em uma determinada proporção de componentes, uma mistura explosiva com o ar.

Como os crioprocessadores usam cobre, alumínio, prata, ouro.

Fonte de informação: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.