3.5.2. Тугоплавкие металлы

К тугоплавким относят металлы с температурой плавления бо­лее 1700°С. Эти металлы, как правило, химически устойчивы при низких температурах, но при повышенных температурах активно взаимодействуют с атмосферой. Поэтому изделия из них эксплуа­тируют в вакууме или среде инертных газов (аргон Ar, азот N₂ и др.). Механическая обработка тугоплавких металлов затруднена из-за их повышенной твердости и хрупкости.

Тугоплавкие металлы (вольфрам W, рений Re, молибден Mo, тантал Ta, титан Ti, ниобий Nb, цирконий Zr, гафний Gf) применяют в электровакуумной технике, полупроводниковом производстве и микроэлектронике, для подвижных контактов и в качестве материала для сверхпроводников.

Вольфрам W. Вольфрам – светло-серый металл. Основная область применения вольфрама - изготовле­ние нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и косвен­ного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок, размыкающих контактов реле. Для контактов с больши­ми значениями разрываемой мощности используют металлокерамические материалы на основе порошка вольфрама.

Рений Re. Рений - серовато-белый редкоземельный металл.Рений применяется для покрытия вольфрамовых нитей с целью повышения срока службы.

Молибден Мо. Молибден - близкий по своим свойствам к воль­фраму металл, но почти в 2 раза легче последнего.

Тантал Ta. Тантал – серовато-белый сверхпроводниковый металл. Ввиду высокой стоимости тантал используют для изготовления ответственных изделий сложной формы, работающих в вакууме в напряженном тепловом режиме.

Титан Ti. Титан применяется для порошкообразных покрытий молибденовых и вольфрамовых электродов электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.

Ниобий Nb. Ниобий – металл серовато-белого цвета. Ниобий применяется для изготовления катодов генераторных ламп, анодов, управляющих сеток.

Контрольные вопросы.

1. Какие требования предъявляются к проволочным резистивным материалам?

2. Состав манганина? ρ=?

3. Состав константана? ρ=?

4. Какие требования предъявляются к сплавам электронагревательных элементов?

5. Состав нихрома? ρ=?

6. Почему при большой частоте включения нихром перегорает быстрее, чем при длительной работе?

7. Где применяют нихром?

8. Что входит в состав фехраля и хромеля? Их недостатки?

9. Как получают резистивные пленки?

10. Какие бывают виды резистивных пленок?

11. По каким параметрам выбирают материал для термопар?

12. В каких случаях применяют благородные металлы?

13. Какую температуру выдерживают тугоплавкие металлы? Их недостатки?

14. Перечислите тугоплавкие металлы.

3.6. Сверхпроводники и криопроводники

Известно 27 чистых металлов и более тысячи различных спла­вов и соединений, у которых возможен переход в сверхпроводящее состояние. К ним относятся чистые металлы, сплавы, интерметал­лические соединения и некоторые диэлектрические материалы.

3.6.1. Сверхпроводники

При понижении температуры удельное электрическое сопротив­ление металлов уменьшается и при весьма низких (криогенных) тем­пературах электрическое сопротивление металлов приближается к абсолют­ному нулю.

В 1911 г. при охлаждении кольца из замороженной ртути до тем­пературы 4,2 К голландский учёный Г.Каммерлинг-Оннес обнару­жил, что электрическое сопротивление кольца внезапно падает до очень малого значения, которое невозможно измерить. Такое исчезновение электрического сопротивления, т.е. появление беско­нечной удельной проводимости у материала, было названо сверхпроводимостью. Критическую температуру охлаждения называют температурой сверхпроводимого перехода или критической температурой перехода T_кр. При повышении температуры до T_кр материал возвращается в нормаль­ное состояние.

Особенность сверхпроводников состоит в том, что однажды наведенный в сверхпроводящем контуре электрический ток будет длительно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы и притом без всякого дополнительного подвода энергии извне. Подобно постоянному магниту такой контур создает в окружающем пространстве магнитное поле.

В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками, т. е. их магнитная проницаемость μ скачком падает от μ=1 до μ=0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис. 3.1).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода T_кр. 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

Рис 3.1 Магнитное поле с введённым в

него сверхпроводником

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 состояниеT_кр и критической напряженности магнитного поля H_кр.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые. К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы. 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 прошлого столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и применения является одной из важнейших про­блем современной науки и техники.

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.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в табл. 3.5.

Таблица 3.5 Основные свойства некоторых сверхпроводниковых материалов

Наибольшее значение параметра:	Мягкие сверхпроводники				Твердые сверхпроводники
	Al	Hg	Pb	Nb	44%Nb+ +56%Ti	50%Nb+ +50%Zr			V3Ca		Nb3Sn
температуры перехода Tкр0,К	1,2	42	7,2	9,4	8,7	9,5			14		18
магнитной индукции перехода Bкр0,Тл	0,010	0,041	0,080	0,195	12	11		50		22