Лекция 23. Виды и области применения сверхпроводящих

материалов

Сверхпроводимость— свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Температурный интервал перехода в сверхпроводящее состояние для чистых образцов не превышает тысячных долей Кельвина . Ширина интервала перехода зависит от неоднородности металла, в первую очередь — от наличия примесей и внутренних напряжений. Известные ныне температуры Тс изменяются в пределах от 0,0005 К у магния (Mg) до 23,2 К у интерметаллида ниобия и германия (Nb3Ge, в плёнке) и 39 К у диборида магния (MgB2) у низкотемпературных

сверхпроводников (Тс ниже 77 К, температуры кипения жидкого азота), до примерно 135К у ртутьсодержащих высокотемпературных сверхпроводников. В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8 имеет наибольшее известное

значение критической температуры — 135 К, причем при внешнем давлении 350 тысяч атмосфер температура перехода возрастает до 164°К, что лишь на 19°К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли. Таким образом, сверхпроводники в своём развитии прошли путь от металлической ртути (4.2 К) к ртутьсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (164 К).

Виды

Сверхпроводящие ВТСП-провода

ВТСП-— высокотемпературная сверхпроводимость или высокотемпературные сверхпроводники. Так обычно именуются материалы, чья критическая температура больше, чем температура кипения азота (Tb = 77,4 К) [10-15]

Чрезвычайно широкий спектр применения ВТСП-материалов обусловлен отсутствием потерь на постоянном токе и небольшими потерями на переменном, экранированием магнитных и электромагнитных полей, возможностью передачи сигналов с минимальными искажениями, а также выполнения аналоговых и цифровых функций при 1000-кратном уменьшении мощности рассеяния и 10-20-кратном повышении быстродействия в сравнении с современными полупроводниковыми приборами

Рисунок 1-поперечные сечения ленточных проводов из ВТСП-материалов.

Поперечные сечения лент 0.2-0.25 х 3.0-3.5 м2; диаметры круглых проводников 0.8-1.0 мм; критическая плотность тока до 3 х 104 А • см-2; критическая температура до 100 К

СКВИД — прибор, название которого представляет собой сокращение длинного наименования «сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство» на английском языке. «Сердце» СКВИДа представляет собой сверхпроводящее кольцо с четырьмя выводами, которые служат для подачи тока и съема напряжения. В кольце есть одно или два слабых звена. Кольцо с одним слабым звеном и кольцо с двумя слабыми звеньями — два разных вида СКВИДа, различающиеся по устройству и режиму работы.

Рисунок 3 –увеличение магнитного потока через сверхпроводящее кольцо со слабым звеном при увеличении внешнего магнитного поля. Внешним мы называем поток, который проходил бы через кольцо, если бы сверхпроводимости не было

магниты

Электромагнит обычно состоит из сердечника и намотанного на него провода, по которому течет ток. Создаваемое при этом магнитное поле пропорционально силе тока и количеству витков.

Рисунок 4- лабораторные сверхпроводящие соленоиды

Сверхпроводящие НТСП-провода

Сверхпроводники II рода, способные выдерживать высокие магнитные поля. Они «впускают» в себя магнитное поле в виде вихрей. Но движение этих же вихрей обусловливает появление электрического сопротивления, и большое критическое поле «компенсируется» малой критической плотностью тока.

Рисунок 5-сечения промышленных сверхпроводящих проводов на различных этапах их «сборки»

Уникальные физические свойства сверхпроводников, на которые опираются НТСП-технологии:

• Сверхпроводники в интервале значений, ниже критических величин

температуры, индукции магнитного поля и плотности электрического тока, имеют нулевое сопротивление, то есть способны нести бездиссипативный

постоянный ток -ток без потерь на нагрев проводника. Уровень потерь определяется фактором rj2 где r - удельное сопротивление, a j - плотность тока.

• При значениях магнитного поля ниже так называемого мейснеровского сверхпроводники обладают идеальным диамагнетизмом - магнитное поле

не проникает в тело сверхпроводника.

• Магнитный момент сверхпроводящего кольца или полого цилиндра может

изменяться только дискретно на величину кванта магнитного потока,

• Поверхностное сопротивление сверхпроводника при частотах, ниже критических, в 10-100 раз меньше поверхностного сопротивления хорошо

проводящих материалов (медь, алюминий) при тех же температурах.

• В сверхпроводниках возможно протекание тока без падения напряжения

через туннельный контакт, образованный двумя сверхпроводниками, которые разделены тонким слоем (масштаб нанометры) диэлектрика (стационарный эффект Джозефсона), либо протекание тока, сопровождаемое при превышении некоторой критической его величины генерацией электромагнитного излучения с частотой, которая определяется разностью потенциалов на контакте (нестационарный эффект Джозефсона).

Эффект Мейснера

При охлаждении проводника в слабом магнитном поле на его поверхности возникает незатухающий ток, циркуляция которого обращает внутренний маг. поток в нуль.

т.е.плотность маг. потока всегда, даже во внешнем маг. поле, равна нулю.

Экранирующие токи приводят к появлению намагничиваемости

М-намагничиваемость;

М=m/v m-магнитный момент;

v-объём образца