3. Основные свойства и применение сверхпроводников

Электрическое сопротивление любого металлического проводника с понижением температуры уменьшается. У некоторых металлов и сплавов помимо такого нормального уменьшения электрического сопротивления при охлаждении наблюдается новое свойство: при температуре от 10 К (— 263 °С) и ниже электрическое сопротивление резко падает до ну­ля. Это явление называют сверхпроводимостью, а ма­териалы, у которых оно наблюдается,— сверхпроводниками. Температуру, при которой совершается переход материала в сверхпроводящее состояние, называют критической температурой Т_кр сверхпроводникового перехода.

Обнаружено 27 сверхпроводников в виде чистых металлов (алюминий, свинец, теллур, ниобий, цинк, молибден и др.) и более тысячи сплавов металлов.

Серебро, медь и золото, свойством сверхпроводимости не обладают. Свойством сверхпроводи­мости не обладают также ферромагнитные материалы: железо, никель, кобальт и их сплавы.

Самую высокую критическую температуру среди чистых металлов имеет ниобий (9,22 К), а самую низкую — иридий (0,14 К).

Критическая температура сверхпроводников зави­сит от их химического состава, кристаллической струк­туры и других факторов.

Характерным свойством сверхпроводников является то, что в эти материалы, когда они находятся в со­стоянии сверхпроводимости, внешнее магнитное поле не проникает.

При воздействии на многие сверхпроводники даже слабого внешнего маг­нитного поля их сверхпроводимость исчезает. Такие сверхпроводники называют сверхпроводниками перво­го рода. К ним относятся все сверхпроводящие чистые металлы, за исключением ниобия Nb, ванадия V и технеция Тс.

К сверхпроводникам второго рода относят­ся все сверхпроводящие сплавы и некоторые чистые металлы: ниобий Nb, ванадий V и технеций Тс. Сверх­проводники второго рода отличаются от сверхпровод­ников первого рода более высокими значениями критической температуры T_кр и магнитной индукции В_кр. Критический ток в сверхпроводниках вто­рого рода может быть увеличен введением примесей, вызывающих изменение их структуры. Недостатком сверхпроводников второго рода является то, что они теряют свойство сверхпроводимости в определенном ин­тервале напряженностей магнитного поля.

Этого недостатка лишены сверхпроводники третьего рода, отличающиеся от сверхпроводников второго ро­да составом и неоднородностью структуры. Это позво­ляет получать очень большие критические токи (плот­ность тока выше 10⁵ А/см²) в сильных магнитных полях, индукция которых составляет от 10 до 50. К сверхпроводникам третьего рода относятся соединения ниобия с оловом (NbSn₃), с титаном (NbTi), а также цирконием и титаном (NbZrTi) и др.

Одно из основных применений сверхпроводников — создание на их основе мощных сверхпроводящих со­леноидов, позволяющих получать магнитные поля, индукция которых равна 20 Тл и более. На охлаждение такого соленоида до температуры 4,2 К необходимо в 1000 раз меньше энергии, чем для питания током обычного электромагнита той же мощности.

Применение сверхпроводящих обмоток в электрических машинах и трансформаторах позволяют изготовлять их без стальных магнитопроводов и сердечников, так как индукция магнитных полей, создаваемых сверхпроводящими обмотками, значительно превышает индукцию, создаваемую сердечниками из ферромагнитных материалов. При наличии сверх­проводящих обмоток полностью устраняются тепловые потери. Все это существенно уменьшает габариты и массу электрических машин и трансформаторов. Явле­ние отталкивания двух сверхпроводников друг от друга (вследствие отталкивания их магнитных полей) позво­ляет создать опоры без трения и, следовательно, без по­терь — в электрических машинах и в других механиз­мах.

Разработаны первые конструкции сверхпроводящих кабелей, которые позволяют в значительной степени увеличить передаваемые мощности без потерь энергии. Из сверхпроводящих спла­вов можно получить провода диаметром 0,2—0,4 мм и более.

Перечисленные сверхпроводящие материалы позво­ляют получать легко деформируемые провода.