6.4. Сверхпроводники

Особую группу материалов высокой проводимости занимают сверх­проводники.

С понижением температуры электросопротивление всех металлов монотонно падает. Однако есть металлы и сплавы, в которых электросопротивление при определенной температуре, которую назы­вают критической, резко падает до нуля и при более низкой температуре они становятся сверхпроводниками. Сверхпроводимость обнаружена у 25 элементов и более чем в 1000 сплавах. Сверхпроводниковые свойства обнаруживают многие сплавы со структурой упорядоченных твердых растворов и промежуточных фаз (σ-фаза, фаза Лавеса и др.). При обычных температурах эти вещества не обладают высокой про­водимостью.

Переход металла в сверхпроводниковое состояние считают фазо­вым переходом. Новое фазовое состояние характеризуется тем, что свободные электроны перестают взаимодействовать с ионами кристал­лической решетки, но вступают во взаимодействие между собой.

В результате этого, электроны с противоположно направленными спинами спари­ваются. Результирующий спиновый момент становится равен нулю и сверхпроводник становится идеальным диамагнетиком, вытал­кивая магнитное поле. Все электронные пары располагаются на низких энергетических уровнях, где они перестают испытывать тепло­вые рассеяния, так как энергия, которую пара может получить от взаимодействия с ионами решетки, слишком мала, чтобы вызвать это рассеяние.

Сверхпроводниковое состояние разрушается не только нагревом, но также сильным магнитным полем и пропусканием электрического тока большой силы (критические значения поля и тока).

Из всех элементов, способных переходить в сверхпроводниковое состояние, ниобий имеет самую высокую критическую температуру перехода 9,17 К. Практическое использование нашли сверхпровод­никовые сплавы на основе ниобия.

Промышленный сплав 65БТ (ГОСТ 10994—74) содержит 22,0…26,0% Ti, 63,0…68,0% Nb, 8,5…11,5% Zr и имеет критическую темпе­ратуру перехода 9,7 К. Для Т = 4,2 К критические значения плот­ности тока составляют 2,8 ∙ 10⁶ А/м, магнитного поля — 6,0…7,2 ∙ 10⁶ А/м. Проволоку сплава 35БТ состава 60…64% Ti, 33,5…36,5% Nb, 1,7…4,3% Zn используют в медной матрице, как композиционный материал.

Оба сплава применяют в соленоидах, кабелях и магнитах колос­сальной мощности.

Способность сверхпроводников выталкивать магнитное поле нашла применение в магнитных насосах, позволяющих генерировать маг­нитные поля колоссальной напряженности, а также в криогенных гироскопах. Якорь гироскопа, изготовленный из сверхпроводника, «плавает» в магнитном поле. Отсутствие опор и подшипников устра­няет трение и повышает долговечность гироскопа.

6.5. Сплавы повышенного электросопротивления

Такие материалы имеют применение для прецизионных элементов сопротивления (обмоток потенциометров, шунтов, катушек сопротив­ления, резисторов термопар, тензометрических датчиков) и нагрева­тельных элементов электрических приборов и печей.

Повышенное сопротивление обеспечивается применением метал­лических сплавов со структурой твердых растворов. Как указыва­лось выше, физико-механические свойства, в том числе электросопро­тивление таких сплавов изменяется по криволинейной зависимости, причем электросопротивление сплавов выше сопротив­ления металлов его составляющих. Кроме этого, сплавы высокого сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электросопротивления, а также высокой жаростойкостью, что особенно важно для нагревательных элементов. При использовании сплавов в электроизмерительных приборах в паре с медью от них требуется малая ТЭДС. В большинстве случаев сплавы используют в виде лент или проволоки, а поэтому они должны обладать хорошей пластичностью.

Все сплавы с повышенным электросопротивлением делят на две группы: реостатные сплавы, рабочая температура которых не выше 500 °С, и сплавы для нагревательных элементов, рабочая температура у которых значительно выше и доходит до 1100 °С.

Реостатные сплавы включают сплавы на медной основе с никелем и марганцем. Сплавы меди с никелем и марганцем образуют непрерыв­ный ряд твердых растворов. Сплавы с 40…50% Ni обладают макси­мальным электросопротивлением и отрица­тельным температурным коэффициентом электросопротивления. Наименьший темпе­ратурный коэффициент электросопротивле­ния имеет манганин МНМц 3-12-0,3-0,3, дополнительно легированный А1 и Fe в количестве по 0,3%. Сплавы константан и копель в паре с медью об­ладают большой ТЭДС, поэтому в измерительных схемах и для прецизион­ных сопротивлений используют манганин. Константан и копель используют для термопар.

Сплавы для нагревательных элементов включают сплавы на желез­ной и никелевой основе, что обеспечивает высокое электросопротив­ление вследствие образования твердых растворов. Для повышения жаростойкости сплавы должны содержать высокий процент хрома и алюминия. Однако последний ухудшает пластичность сплава и затрудняет тем самым получение проволоки. Так как сплавы на желез­ной основе дешевы, их используют для грубых реостатов и нагрева­тельных элементов в мощных электронагревательных установках и промышленных печах.