1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Фізика
  3. Явище надпровідності

Явище надпровідності

Явище надпровідності полягає в тому, що при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля, деякі матеріали повністю втрачають електроопір.

Явище надпровідності в матеріалах

Явище надпровідності вперше відкрив в 1911 році голландський вчений Г. Камерлінг-Онкес. З тих пір ведуться інтенсивні пошуки нових надпровідних матеріалів, які б дозволили використовувати це явище в конкретних пристроях з максимальною енергетичною і економічною вигодою.

Голландський вчений Г. Камерлінг-Онкес – відкрив явище надпровідності. Надпровідність відкриває фантастичні перспективи перед електротехнікою, енергетикою, транспортом. Адже якщо опір провідника дорівнює нулю, то по ньому можна пропускати скільки завгодно великий струм, і при цьому абсолютно не буде втрат на нагрівання. Це мрія електротехніків! Через нагрівання звичайних проводів безповоротно втрачається до 20% усієї вироблюваної електроенергії, а в лініях електропередач з надпровідників втрати будуть мізерними. Американський професор Річард Мак-Фі підрахував, що надпровідний кабель товщиною в руку може впоратися з усією пікової потужністю, що виробляється електростанціями США. Відкривається можливість отримання надпотужних магнітних полів, які так необхідні при створенні термоядерних реакторів, унікальних конструкцій генераторів струму, нових фізичних приладів, поїздів на магнітній подушці і багатьох інших корисних речей.

Явище надпровідності в композитах

Створюючи композити, можна формувати необхідні фізичні властивості і тим самим вирішувати різноманітні фізичні завдання. Одна з них – створення надпровідних пристроїв. Це дуже велика проблема, в роботі над ній беруть участь люди різних професій. Завдання для фізиків і хіміків – отримання речовин, що володіють надпровідністю. А використання вже відомих надпровідних матеріалів для створення певного вироби – надпровідного проводу – типова задача для матеріалознавців.

Надпровідний провід – композит

Багаторічні теоретичні та експериментальні дослідження привели фізиків до такого висновку щодо конструкції надпровідних проводів: забезпечити надійну роботу надпровідного проводу можна в тому випадку, якщо він буде являти собою композит, що складається з теплопровідної (наприклад, мідної) матриці, в якій рівномірно розподілені безперервні надпровідні, волокна , орієнтовані вздовж осі дроту.

Надпровідний мідний дріт. Бажано, щоб діаметр цих волокон не перевищував декількох мікрометрів, а їх кількість вимірювалося тисячами або десятками тисяч. При цьому об’ємна концентрація волокон в матриці повинна становити 5-7%, а діаметр всього проводу – бути близько 1 мм.

Надпровідні волокна

Завдання матеріалознавців – навчитися отримувати такий провід, завдання непросте. Справа в тому, що традиційні методи створення композитів для її вирішення не годяться:
Немає надпровідних волокон мікрометрового діаметра, що мають до того ж довжину сотні метрів або кілометрів.

Якби навіть такі існували, навряд чи вдалося б гарантувати, що вони десь не порвуться в процесі переробки, а це значить, що не було б упевненості в якості композиту і в його надійності.

Тут потрібно шукати якісь нові, нетрадиційні шляхи. Необхідно встановити, яким матеріалам властиво явище надпровідності і на скільки доцільно використовувати їх в якості надпровідних волокон. Найбільш придатними для цього є сплав ніобій-титан або интерметаллические з’єднання, такі як Nb3Sn; Nb3Ge, Nb3Ga, і ін. Перший сплав має температуру переходу в надпровідний стан Тк = 8-10 К, тоді як у интерметаллидов ця температура становить 17-20 К. А чим вище температура переходу, тим економічно і технічно простіше виконати надпровідну установку в цілому . Але у сплавів є дуже істотна перевага – вони пластичні, їх можна обробляти тиском, не побоюючись, що вони зруйнуються. А інтерметалліді – тендітні, вони обробці тиском не піддаються. Чому віддати перевагу? Матеріалознавці вирішують, як отримати композит з міді, армованої найтоншими тяганиною з сплаву ніобій-титан, а так само розробляють використання більш перспективних волокон. При цьому вони осмислюють результати, аналізують інформацію, яка, можливо, підкаже якісь нові шляхи. У процесі обмірковування з’явилася думка, що потрібно використовувати хороші пластичні властивості ніобійтітанового сплаву і міді і спробувати їх спільно деформувати. Можна взяти мідний злиток, просвердлити в ньому кілька отворів, вставити в них прутки з ніобієві сплаву і таку композитну заготовку піддати волочіння до потрібного діаметру. Але кількість волокон в такому композиті буде дорівнює кількості просвердлених отворів. Скільки їх можна просвердлити?

Десяток, сто. А потрібні десятки тисяч волокон. Якщо припустити, що взяли аркуш паперу і зігнули вдвічі, потім ще удвічі, потім ще – і так п’ятдесят разів – яку товщину матиме отримана стопка паперу? Нехай цей лист має товщину 0,1 мм. Зігнувши його вдвічі, отримаємо 0,1 • 2 = 0,2 мм, ще вдвічі 0,1 • 22 = 0,4 мм, ще вдвічі – 0,1 • 23 = 0,8 мм. Кожен перегин збільшує товщину в два рази, отже, зігнувши лист п’ятдесят разів, ми отримаємо товщину стопки 0,1 • 250 мм. Але 250 ≈ 1015, отже, шукана товщина склала 1014 мм = 108 км = 100 000 000 км. Сто мільйонів кілометрів! Абсолютно несподіваний результат. Це ж більше, ніж половина відстані від Землі до Сонця. Раптом стало ясно, як вирішити задачу. Адже волокна можна змусити розмножуватися! Все дуже просто, потрібно використовувати властивості геометричної прогресії. Можна взяти заготовку з міді (припустимо, діаметром 100 мм), просвердлити в ній отвір діаметром 25 мм, вставити туди пруток з ніобійтітанового сплаву і таку заготовку піддати волочіння до діаметра, скажімо, 10 мм. Потім довгий біметалічний пруток потрібно розрізати на кілька коротких (нехай на 7) прутків однакової довжини, укласти їх разом в мідний стакан і знову піддати спільному волочіння або екструзії. Вийде довгий мідний пруток, в ньому вже буде запрессовано 17 ніобійтітанових стерженьков, діаметр яких набагато менше вихідного.

Його знову можна розрізати на 7 частин, знову укласти в мідний стакан і знову продавити через фільєру. Після цього отримаємо мідний прут буде вже 72 = 49 ніобійтітанових зволікань, діаметр яких ще зменшиться. Якщо повторити ті ж операції 5 разів, отримаємо в мідній матриці 75 = 16 807, якщо 6 разів – 76 = 117 649 волокон з надпровідного сплаву. Не обов’язково, звичайно, розрізати прутки на 7 частин, можна на будь-яке інше число, наприклад, 10, 15, 19 і т. Д. Принципове рішення знайдено. Звичайно, буде ще чимало перешкод при його реалізації, ще багато чого не буде виходити, але коли є впевненість, що ти на правильному шляху, всі перешкоди можна подолати. Як надпровідного матеріалу використовувався пластичний сплав. Для багатьох надпровідних пристроїв властивості отриманого композитного дроти недостатні. Необхідно вирішити, як ввести в композит тендітні интерметаллические волокна, наприклад з Nb3Sn. Про колишньої технології годі й говорити – пластичної деформації Nb3Sn не піддається. Волочити його марно навіть спільно з мідної матрицею – все одно зруйнується. Хоча те ж саме міжфазну взаємодію, з яким стільки неприємностей при створенні жароміцних композиційних матеріалів, в даному випадку можна змусити виконувати корисну роботу.

Зробити недруга союзником і помічником. Можна ж вчинити так: піддавати волочіння спільно з матрицею не з’єднання Nb3Sn, а чистий ніобій, а потім, отримавши потрібну структуру матеріалу, перетворити якимось чином ніобій в Nb3Sn. Це, напевно, не так і складно зробити. Потрібно вирішити, як доправити до ниобиевая волокнам олово, а далі при нагріванні ніобій буде взаємодіяти з ним, утворюючи потрібне нам з’єднання. Звертаємося до колишньої технології, тільки замість сплаву ніобій-титан використовуємо чистий ніобій, а замість чистої міді – її сплав з оловом (бронзу). І ніобій, і бронзу можна піддавати пластичної деформації. Після того як композит бронза – ніобій буде доведений до потрібної структури, тобто ніобієві волокна матимуть діаметр кілька мікронів, нагріємо отриманий дріт. При нагріванні різко прискорюється дифузія, атоми олова з бронзи почнуть проникати в ніобій і утворювати з ним з’єднання.

Бронза як матеріал для створення надпровідності волокна. Недолік бронзової матриці – знижена тепло- і електропровідність у порівнянні з міддю. Зменшити цей недолік можна за рахунок використання змішаної матриці, що включає поряд з бронзою чисту мідь. Але при нагріванні мідь може реагувати з оловом, що знову погіршить її електро- і теплофізичні показники. Щоб цього не сталося, потрібно між міддю і бронзою поставити бар’єри, які заодно будуть знижувати вихрові струми. Зручний для цієї мети тантал. Як виглядає провід, що містить волокна Nb3Sn. Схематично його структура складається з 19 багатокутників, форма яких близька до шестикутної, – це дроту з композиту бронза – Nb3Sn. Всі вони розташовані в мідній матриці. Перетин однієї такої дроту складається з 187 груп, що містять волокна з Nb3Sn, причому в кожній групі по 19 таких волокон, а між ними – бронзова матриця. Всього в композитному дроті міститься 67 507 волокон діаметром ~ 5 мкм (вірніше, кожне волокно складається з ніобієві сердечника, покритого шаром Nb3Sn товщиною ~ 1 мкм). На завершення процесу виготовлення всьому композиту надається прямокутне поєднання, щоб його можна було щільно намотати на сердечник. Такий прямокутний композитний провідник, який має поперечний переріз 1,75×5,46 мм, здатний пропускати струм 5000 А в поле 6 Т і 1250 А в поле 12 Т. Але вимоги техніки з кожним роком підвищуються, і для їх задоволення необхідні матеріали з ще більш високими властивостями. А значить, потрібно йти далі, висувати нові ідеї, розробляти нові технології, створювати нові матеріали. Такі питання, як явище надпровідності, і як за допомогою композитів вдається вирішувати завдання, які звичайним матеріалів не під силу, вирішує не одна людина і не одна організація. І вирішує протягом не одного року. Робота дуже велика і трудомістка. Для її виконання об’єднують зусилля фахівці різних професій – фізики, хіміки, математики, конструктори, матеріалознавці.

ПОДІЛИТИСЯ: