Superconductores y crioconductores

Superconductores y crioconductores

Se conocen 27 metales puros y más de mil aleaciones y compuestos diferentes en los que es posible una transición a un estado superconductor. Estos incluyen metales puros, aleaciones, compuestos intermetálicos y algunos materiales dieléctricos.

superconductores

Cuando la temperatura baja resistencia eléctrica específica de los metales disminuye ya temperaturas muy bajas (criogénicas), la conductividad eléctrica de los metales se aproxima al cero absoluto.

En 1911, al enfriar un anillo de mercurio congelado a una temperatura de 4,2 K, el científico holandés G. Kamerling-Onnes descubrió que la resistencia eléctrica de los anillos descendía repentinamente a un valor muy pequeño que no podía medirse. Tal desaparición de la resistencia eléctrica, i.e. la aparición de conductividad infinita en un material se denomina superconductividad.

Los materiales con la capacidad de pasar a un estado superconductor cuando se enfrían a un nivel de temperatura suficientemente bajo comenzaron a llamarse superconductores.La temperatura crítica de enfriamiento a la que hay una transición de la materia a un estado superconductor se denomina temperatura de transición superconductora o temperatura de transición crítica Tcr.

Una transición superconductora es reversible. Cuando la temperatura sube a Tc, el material vuelve a su estado normal (no conductor).

Una característica de los superconductores es que una vez inducida en un circuito superconductor, la corriente eléctrica circulará durante mucho tiempo (años) por este circuito sin reducción apreciable de su fuerza y, además, sin aporte adicional de energía desde el exterior. Como un imán permanente, tal circuito crea en el espacio circundante campo magnético.

En 1933, los físicos alemanes V. Meissner y R. Oxenfeld establecieron que los superconductores durante la transición al estado superconductor se convierten en diamagnetos ideales. Por lo tanto, el campo magnético externo no penetra en un cuerpo superconductor. Si la transición del material a un estado superconductor ocurre en un campo magnético, entonces el campo es "empujado" fuera del superconductor.

Los superconductores conocidos tienen temperaturas de transición críticas Tc muy bajas. Por lo tanto, los dispositivos en los que se utilizan superconductores deben operar en condiciones de refrigeración con helio líquido (la temperatura de licuefacción del helio a presión normal es de unos 4,2 DA SE). Esto complica y aumenta el costo de fabricación y operación de materiales superconductores.

Además del mercurio, la superconductividad es inherente a otros metales puros (elementos químicos) y diversas aleaciones y compuestos químicos. Sin embargo, en la mayoría de los metales como la plata y el cobre, las bajas temperaturas alcanzadas en ese momento se vuelven superconductoras si la condición falla.

Las posibilidades de utilizar el fenómeno de la superconductividad están determinadas por los valores de la temperatura de transición al estado superconductor de Tc y la fuerza crítica del campo magnético.

Materiales superconductores divididos en blandos y duros. Los superconductores blandos incluyen metales puros, excepto niobio, vanadio y telurio. La principal desventaja de los superconductores blandos es el bajo valor de la intensidad crítica del campo magnético.

En ingeniería eléctrica, los superconductores blandos no se utilizan, porque el estado superconductor en ellos ya desaparece en campos magnéticos débiles a bajas densidades de corriente.

Los superconductores sólidos incluyen aleaciones con redes cristalinas distorsionadas. Retienen la superconductividad incluso a densidades de corriente relativamente altas y campos magnéticos fuertes.

Las propiedades de los superconductores sólidos se descubrieron a mediados de este siglo y, hasta ahora, el problema de su investigación y aplicación es uno de los problemas más importantes de la ciencia y la tecnología modernas.

Los superconductores sólidos tienen una serie de funciones:

• al enfriarse, la transición al estado superconductor no se produce bruscamente, como en los superconductores blandos y durante un cierto intervalo de temperatura;

• algunos de los superconductores sólidos no solo tienen valores relativamente altos de temperatura de transición crítica Tc, sino también valores relativamente altos de inducción magnética crítica Vkr;

• en cambios en la inducción magnética se pueden observar estados intermedios entre superconductores y normales;

• tienen tendencia a disipar energía al pasar corriente alterna a través de ellos;

• propiedades adictivas de la superconductividad de los métodos tecnológicos de producción, la pureza del material y la perfección de su estructura cristalina.

Según las propiedades tecnológicas, los superconductores sólidos se dividen en los siguientes tipos:

• alambres y tiras deformables con relativa facilidad [niobio, aleaciones de niobio-titanio (Nb-Ti), vanadio-galio (V-Ga)];

• difíciles de deformar por su fragilidad, a partir de los cuales se obtienen productos por métodos de pulvimetalurgia (materiales intermetálicos como el estanuro de niobio Nb3Sn).

A menudo, cables superconductores cubiertos con una cubierta "estabilizadora" hecha de cobre u otro material altamente conductor. electricidad y el calor del metal, que permite evitar dañar el material base del superconductor con un aumento accidental de temperatura.

En algunos casos, se utilizan cables superconductores compuestos, en los que una gran cantidad de filamentos delgados de material superconductor están encerrados en una cubierta sólida de cobre u otro material no conductor.

Los materiales de película superconductora tienen propiedades especiales:

• la temperatura de transición crítica Tcr en algunos casos excede significativamente Tcr materiales a granel;

• grandes valores de las corrientes limitantes que pasan a través del superconductor;

• menor rango de temperatura de la transición al estado superconductor.

Los superconductores se utilizan para crear: máquinas eléctricas y transformadores de pequeña masa y dimensiones con un alto factor de eficiencia; grandes líneas de cable para la transmisión de energía a largas distancias; especialmente guías de ondas de baja atenuación; unidades de alimentación y dispositivos de memoria; lentes magnéticas de microscopios electrónicos; bobinas de inductancia con cableado impreso.

Sobre la base de superconductores de película creó una serie de dispositivos de almacenamiento y elementos de automatización y tecnología informática.

Las bobinas electromagnéticas de los superconductores permiten obtener los valores máximos posibles de intensidad de campo magnético.

Criosondas

Algunos metales pueden alcanzar a temperaturas bajas (criogénicas) un valor muy pequeño de la resistencia eléctrica específica p, que es cientos y miles de veces menor que la resistencia eléctrica a temperatura normal. Los materiales con estas propiedades se denominan crioconductores (hiperconductores).

Físicamente, el fenómeno de la crioconductividad no es similar al fenómeno de la superconductividad. La densidad de corriente en los crioconductores a temperaturas de funcionamiento es miles de veces mayor que la densidad de corriente en ellos a temperatura normal, lo que determina su uso en dispositivos eléctricos de alta corriente que están sujetos a altos requisitos de confiabilidad y seguridad contra explosiones.

Aplicación de crioconductores en máquinas eléctricas, cables, etc. tiene una ventaja significativa sobre los superconductores.

Si se utiliza helio líquido en dispositivos superconductores, el funcionamiento de los crioconductores está garantizado debido al punto de ebullición más alto y a los refrigerantes baratos: hidrógeno líquido o incluso nitrógeno líquido. Esto simplifica y reduce el coste de fabricación y funcionamiento del dispositivo. Sin embargo, es necesario considerar las dificultades técnicas que surgen al utilizar hidrógeno líquido, formando, en una determinada proporción de componentes, una mezcla explosiva con el aire.

Como crioprocesadores utilizan cobre, aluminio, plata, oro.

Fuente de información: "Electromateriales" Zhuravleva L. V.