Chất siêu dẫn và chất dẫn lạnh

Chất siêu dẫn và chất dẫn lạnh

Đã biết 27 kim loại nguyên chất và hơn một nghìn hợp kim và hợp chất khác nhau trong đó có thể chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Chúng bao gồm kim loại nguyên chất, hợp kim, hợp chất liên kim và một số vật liệu điện môi.

chất siêu dẫn

Khi nhiệt độ giảm điện trở riêng của kim loại giảm và ở nhiệt độ rất thấp (đông lạnh), độ dẫn điện của kim loại tiến tới độ không tuyệt đối.

Năm 1911, khi làm lạnh một vòng thủy ngân đông lạnh đến nhiệt độ 4,2 K, nhà khoa học người Hà Lan G. Kamerling-Onnes nhận thấy điện trở của các vòng này đột ngột giảm xuống một giá trị rất nhỏ không thể đo được. Sự biến mất của điện trở như vậy, tức là sự xuất hiện của độ dẫn vô hạn trong vật liệu được gọi là hiện tượng siêu dẫn.

Các vật liệu có khả năng chuyển sang trạng thái siêu dẫn khi được làm lạnh đến mức nhiệt độ đủ thấp bắt đầu được gọi là chất siêu dẫn.Nhiệt độ làm lạnh tới hạn tại đó có sự chuyển vật chất sang trạng thái siêu dẫn được gọi là nhiệt độ chuyển trạng thái siêu dẫn hay nhiệt độ chuyển trạng thái tới hạn Tcr.

Quá trình chuyển đổi siêu dẫn có thể đảo ngược. Khi nhiệt độ tăng đến Tc, vật liệu trở lại trạng thái bình thường (không dẫn điện).

Một đặc điểm của chất siêu dẫn là một khi được cảm ứng trong một mạch siêu dẫn, dòng điện sẽ lưu thông trong một thời gian dài (năm) dọc theo mạch này mà không làm giảm đáng kể cường độ của nó và hơn nữa, không cần cung cấp thêm năng lượng từ bên ngoài. Giống như một nam châm vĩnh cửu, một mạch như vậy tạo ra trong không gian xung quanh từ trường.

Năm 1933, các nhà vật lý người Đức V. Meissner và R. Oxenfeld đã xác định rằng chất siêu dẫn trong quá trình chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn trở thành nam châm lý tưởng. Do đó, từ trường bên ngoài không xâm nhập vào cơ thể siêu dẫn. Nếu quá trình chuyển đổi của vật liệu sang trạng thái siêu dẫn xảy ra trong từ trường, thì trường này bị "đẩy" ra khỏi chất siêu dẫn.

Các chất siêu dẫn đã biết có nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn rất thấp Tc. Do đó, các thiết bị sử dụng chất siêu dẫn phải hoạt động trong điều kiện làm mát bằng heli lỏng (nhiệt độ hóa lỏng của heli ở áp suất bình thường là khoảng 4,2 DA SE). Điều này làm phức tạp và tăng chi phí chế tạo và vận hành vật liệu siêu dẫn.

Ngoài thủy ngân, tính siêu dẫn vốn có trong các kim loại nguyên chất khác (nguyên tố hóa học) và các hợp kim và hợp chất hóa học khác nhau. Tuy nhiên, ở hầu hết các kim loại như bạc và đồng, nhiệt độ thấp đạt được vào lúc này sẽ trở thành siêu dẫn nếu điều kiện không thành công.

Khả năng sử dụng hiện tượng siêu dẫn được xác định bởi các giá trị của nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn Tc và cường độ tới hạn của từ trường.

Vật liệu siêu dẫn được chia thành mềm và cứng. Chất siêu dẫn mềm bao gồm các kim loại nguyên chất, trừ niobi, vanadi, telua. Nhược điểm chính của chất siêu dẫn mềm là giá trị thấp của cường độ từ trường tới hạn.

Trong kỹ thuật điện, chất siêu dẫn mềm không được sử dụng, vì trạng thái siêu dẫn trong chúng đã biến mất trong từ trường yếu ở mật độ dòng điện thấp.

Chất siêu dẫn rắn bao gồm các hợp kim có mạng tinh thể bị biến dạng. Chúng giữ được tính siêu dẫn ngay cả ở mật độ dòng điện tương đối cao và từ trường mạnh.

Tính chất của chất siêu dẫn rắn đã được phát hiện từ giữa thế kỷ này và cho đến nay vấn đề nghiên cứu và ứng dụng chúng là một trong những vấn đề quan trọng nhất của khoa học và công nghệ hiện đại.

Chất siêu dẫn rắn có một số chức năng:

• khi nguội đi, sự chuyển sang trạng thái siêu dẫn không xảy ra đột ngột như ở chất siêu dẫn mềm và trong một khoảng nhiệt độ nhất định;

• một số chất siêu dẫn rắn không chỉ có giá trị nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn Tc tương đối cao, mà còn có giá trị cảm ứng từ tới hạn Vkr tương đối cao;

• khi thay đổi cảm ứng từ, có thể quan sát thấy các trạng thái trung gian giữa siêu dẫn và bình thường;

• có xu hướng tiêu tán năng lượng khi chạy dòng điện xoay chiều qua chúng;

• tính chất gây nghiện của tính siêu dẫn từ các phương pháp sản xuất công nghệ, độ tinh khiết của vật liệu và sự hoàn hảo của cấu trúc tinh thể của nó.

Theo tính chất công nghệ, chất siêu dẫn rắn được chia thành các loại sau:

• dây và dải tương đối dễ bị biến dạng [niobi, hợp kim niobi-titan (Nb-Ti), vanadi-gallium (V-Ga)];

• khó biến dạng do dễ vỡ, từ đó thu được sản phẩm bằng phương pháp luyện kim bột (vật liệu liên kim như niobi stanua Nb3Sn).

Thông thường các dây siêu dẫn được phủ một lớp vỏ "ổn định" làm bằng đồng hoặc vật liệu dẫn điện cao khác điện và nhiệt của kim loại, giúp tránh làm hỏng vật liệu cơ bản của chất siêu dẫn khi nhiệt độ tăng đột ngột.

Trong một số trường hợp, dây siêu dẫn hỗn hợp được sử dụng, trong đó một số lượng lớn các sợi mỏng của vật liệu siêu dẫn được bọc trong một lớp vỏ rắn bằng đồng hoặc vật liệu không dẫn điện khác.

Vật liệu màng siêu dẫn có các tính chất đặc biệt:

• nhiệt độ chuyển tiếp tới hạn Tcr trong một số trường hợp vượt quá đáng kể vật liệu khối Tcr;

• giá trị lớn của dòng giới hạn đi qua chất siêu dẫn;

• khoảng nhiệt độ nhỏ hơn của quá trình chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn.

Chất siêu dẫn được sử dụng khi chế tạo: máy điện và máy biến áp có khối lượng và kích thước nhỏ với hệ số hiệu suất cao; đường cáp lớn truyền tải điện năng đi xa; đặc biệt là các ống dẫn sóng có độ suy giảm thấp; điều khiển các thiết bị nguồn và bộ nhớ; thấu kính từ của kính hiển vi điện tử; cuộn dây điện cảm với dây in.

Dựa trên chất siêu dẫn điện ảnh đã tạo ra một số thiết bị lưu trữ và yếu tố tự động hóa và công nghệ điện toán.

Các cuộn dây điện từ của chất siêu dẫn cho phép thu được các giá trị cường độ từ trường tối đa có thể.

tủ lạnh

Một số kim loại có thể đạt được ở nhiệt độ thấp (đông lạnh) một giá trị rất nhỏ của điện trở cụ thể p, nhỏ hơn hàng trăm và hàng nghìn lần so với điện trở ở nhiệt độ bình thường. Các vật liệu có các tính chất này được gọi là chất dẫn lạnh (siêu dẫn).

Về mặt vật lý, hiện tượng đông lạnh không giống với hiện tượng siêu dẫn. Mật độ dòng điện trong chất dẫn điện lạnh ở nhiệt độ hoạt động cao hơn hàng nghìn lần so với mật độ dòng điện trong chúng ở nhiệt độ bình thường, điều này quyết định việc sử dụng chúng trong các thiết bị điện dòng cao có yêu cầu cao về độ tin cậy và an toàn cháy nổ.

Ứng dụng của chất dẫn lạnh trong máy điện, dây cáp, v.v. có một lợi thế đáng kể so với chất siêu dẫn.

Nếu heli lỏng được sử dụng trong các thiết bị siêu dẫn, thì hoạt động của chất dẫn lạnh được đảm bảo do nhiệt độ sôi cao hơn và chất làm lạnh rẻ tiền - hydro lỏng hoặc thậm chí là nitơ lỏng. Điều này đơn giản hóa và giảm chi phí sản xuất và vận hành thiết bị. Tuy nhiên, cần xem xét những khó khăn kỹ thuật phát sinh khi sử dụng hydro lỏng, tạo thành hỗn hợp nổ với không khí ở một tỷ lệ thành phần nhất định.

Vì bộ xử lý lạnh sử dụng đồng, nhôm, bạc, vàng.

Nguồn thông tin: "Vật liệu điện" Zhuravleva L. V.