الموصلات الفائقة والموصلات المبردة

الموصلات الفائقة والموصلات المبردة

معروف بـ 27 معدنًا نقيًا وأكثر من ألف سبيكة ومركبات مختلفة يمكن فيها الانتقال إلى حالة فائقة التوصيل. وتشمل هذه المعادن النقية والسبائك والمركبات بين المعادن وبعض المواد العازلة.

الموصلات الفائقة

عندما تنخفض درجة الحرارة مقاومة كهربائية محددة للمعادن تنخفض وعند درجات حرارة منخفضة جدًا (مبردة) ، تقترب الموصلية الكهربائية للمعادن من الصفر المطلق.

في عام 1911 ، عند تبريد حلقة من الزئبق المجمد إلى درجة حرارة 4.2 كلفن ، وجد العالم الهولندي جي.كامرلينج أونز أن المقاومة الكهربائية للحلقات انخفضت فجأة إلى قيمة صغيرة جدًا لا يمكن قياسها. هذا الاختفاء للمقاومة الكهربائية ، أي يسمى ظهور الموصلية اللانهائية في مادة الموصلية الفائقة.

بدأت تسمى المواد ذات القدرة على الانتقال إلى حالة فائقة التوصيل عند تبريدها إلى مستوى درجة حرارة منخفضة بما فيه الكفاية باسم الموصلات الفائقة.تسمى درجة حرارة التبريد الحرجة التي يتم فيها انتقال المادة إلى حالة فائقة التوصيل بدرجة حرارة الانتقال فائقة التوصيل أو درجة حرارة الانتقال الحرجة Tcr.

الانتقال فائق التوصيل قابل للعكس. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى Tc ، تعود المادة إلى حالتها الطبيعية (غير الموصلة).

من سمات الموصلات الفائقة أنه بمجرد تحريضها في دائرة فائقة التوصيل ، فإن التيار الكهربائي سوف يدور لفترة طويلة (سنوات) على طول هذه الدائرة دون انخفاض ملموس في قوتها ، علاوة على ذلك ، بدون إمداد إضافي بالطاقة من الخارج. مثل المغناطيس الدائم ، مثل هذه الدائرة تخلق في الفضاء المحيط حقل مغناطيسي.

في عام 1933 ، أثبت الفيزيائيان الألمان في. ميسنر و آر. أوكسنفيلد أن الموصلات الفائقة أثناء الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق تصبح مغناطيسات مغناطيسية مثالية. لذلك ، فإن المجال المغناطيسي الخارجي لا يخترق الجسم فائق التوصيل. إذا حدث انتقال المادة إلى حالة فائقة التوصيل في مجال مغناطيسي ، فإن الحقل "يُدفع" خارج الموصل الفائق.

الموصلات الفائقة المعروفة لها درجات حرارة انتقالية منخفضة للغاية Tc. لذلك ، يجب أن تعمل الأجهزة التي تستخدم فيها الموصلات الفائقة تحت ظروف تبريد بالهيليوم السائل (تبلغ درجة حرارة تسييل الهيليوم عند الضغط العادي حوالي 4.2 DA SE). هذا يعقد ويزيد من تكلفة تصنيع وتشغيل المواد فائقة التوصيل.

إلى جانب الزئبق ، فإن الموصلية الفائقة متأصلة في معادن نقية أخرى (عناصر كيميائية) وسبائك مختلفة ومركبات كيميائية. ومع ذلك ، في معظم المعادن مثل الفضة والنحاس ، تصبح درجات الحرارة المنخفضة التي تم الوصول إليها في الوقت الحالي فائقة التوصيل إذا فشلت الحالة.

يتم تحديد احتمالات استخدام ظاهرة الموصلية الفائقة من خلال قيم درجة حرارة الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة لـ Tc والقوة الحرجة للمجال المغناطيسي.

المواد فائقة التوصيل مقسمة إلى لينة وصلبة. تشمل الموصلات الفائقة اللينة المعادن النقية ، باستثناء النيوبيوم والفاناديوم والتيلوريوم. العيب الرئيسي للموصلات الفائقة اللينة هو القيمة المنخفضة لشدة المجال المغناطيسي الحرج.

في الهندسة الكهربائية ، لا يتم استخدام الموصلات الفائقة اللينة ، لأن حالة الموصلية الفائقة فيها تختفي بالفعل في الحقول المغناطيسية الضعيفة عند كثافة التيار المنخفضة.

تشمل الموصلات الفائقة الصلبة سبائك ذات شبكات بلورية مشوهة. إنها تحتفظ بالموصلية الفائقة حتى في كثافات التيار المرتفعة نسبيًا والمجالات المغناطيسية القوية.

تم اكتشاف خصائص الموصلات الفائقة الصلبة في منتصف هذا القرن ، وحتى الآن تعد مشكلة بحثها وتطبيقها من أهم مشاكل العلوم والتكنولوجيا الحديثة.

تحتوي الموصلات الفائقة الصلبة على عدد من الوظائف:

• عند التبريد ، لا يحدث الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة فجأة ، كما هو الحال في الموصلات الفائقة اللينة ولفاصل درجة حرارة معينة ؛

• بعض الموصلات الفائقة الصلبة لا تحتوي فقط على قيم عالية نسبيًا لدرجة حرارة التحول الحرجة Tc ، ولكن أيضًا قيم عالية نسبيًا للحث المغناطيسي الحرج Vkr ؛

• في التغييرات في الحث المغناطيسي ، يمكن ملاحظة الحالات الوسيطة بين الموصلية الفائقة والعادية ؛

• لديهم ميل إلى تبديد الطاقة عند تمرير التيار المتردد من خلالها ؛

• الخواص المسببة للإدمان للموصلية الفائقة من الأساليب التكنولوجية للإنتاج ونقاء المادة وكمال هيكلها البلوري.

وفقًا للخصائص التكنولوجية ، تنقسم الموصلات الفائقة الصلبة إلى الأنواع التالية:

• من السهل نسبيًا تشوه الأسلاك والشرائح [النيوبيوم ، وسبائك النيوبيوم والتيتانيوم (Nb-Ti) ، والفاناديوم الغاليوم (V-Ga)] ؛

• يصعب تشويهها بسبب الهشاشة ، والتي يتم الحصول على المنتجات منها بطرق تعدين المساحيق (المواد بين المعادن مثل النيوبيوم ستانيد Nb3Sn).

غالبًا ما تكون الأسلاك فائقة التوصيل مغطاة بغلاف "استقرار" مصنوع من النحاس أو أي مادة أخرى عالية التوصيل كهرباء وحرارة المعدن ، مما يجعل من الممكن تجنب إتلاف المادة الأساسية للموصل الفائق مع زيادة عرضية في درجة الحرارة.

في بعض الحالات ، يتم استخدام الأسلاك فائقة التوصيل المركبة ، حيث يتم وضع عدد كبير من الخيوط الرقيقة من مادة فائقة التوصيل في غلاف صلب من النحاس أو أي مادة أخرى غير موصلة.

مواد الفيلم فائقة التوصيل لها خصائص خاصة:

• درجة حرارة التحول الحرجة Tcr في بعض الحالات تتجاوز بشكل كبير المواد السائبة Tcr ؛

• مرت القيم الكبيرة للتيارات المحددة عبر الموصل الفائق ؛

• نطاق درجة حرارة أقل للانتقال إلى حالة التوصيل الفائق.

تُستخدم الموصلات الفائقة عند الإنشاء: الآلات الكهربائية والمحولات ذات الكتلة الصغيرة والأبعاد ذات الكفاءة العالية ؛ خطوط الكابلات الكبيرة لنقل الطاقة عبر مسافات طويلة ؛ أدلة موجية توهين منخفضة بشكل خاص ؛ يقود أجهزة الطاقة والذاكرة ؛ العدسات المغناطيسية للمجاهر الإلكترونية ؛ لفائف الحث بأسلاك مطبوعة.

بناءً على الموصلات الفائقة للفيلم ، تم إنشاء عدد من أجهزة التخزين و عناصر الأتمتة وتكنولوجيا الحوسبة.

تتيح الملفات الكهرومغناطيسية من الموصلات الفائقة الحصول على أقصى قيم ممكنة لشدة المجال المغناطيسي.

مبردات

يمكن أن تصل بعض المعادن عند درجات حرارة منخفضة (مبردة) إلى قيمة صغيرة جدًا للمقاومة الكهربائية المحددة p ، والتي تقل مئات وآلاف المرات عن المقاومة الكهربائية في درجة الحرارة العادية. المواد التي لها هذه الخصائص تسمى الموصلات المبردة (الموصلات الفائقة).

جسديًا ، لا تشبه ظاهرة الموصلية البردية ظاهرة الموصلية الفائقة. كثافة التيار في الموصلات المبردة في درجات حرارة التشغيل أعلى بآلاف المرات من كثافة التيار فيها عند درجة الحرارة العادية ، مما يحدد استخدامها في الأجهزة الكهربائية عالية التيار والتي تخضع لمتطلبات عالية من الموثوقية والسلامة من الانفجار.

استخدام الموصلات المبردة في الآلات الكهربائية والكابلات وما إلى ذلك. لديه ميزة كبيرة على الموصلات الفائقة.

إذا تم استخدام الهيليوم السائل في الأجهزة فائقة التوصيل ، فسيتم ضمان تشغيل الموصلات البردية نظرًا لارتفاع نقطة الغليان والمبردات الرخيصة - الهيدروجين السائل أو حتى النيتروجين السائل. هذا يبسط ويقلل من تكلفة تصنيع وتشغيل الجهاز. ومع ذلك ، من الضروري مراعاة الصعوبات التقنية التي تنشأ عند استخدام الهيدروجين السائل ، وتشكيل خليط متفجر مع الهواء بنسبة معينة من المكونات.

تستخدم المعالجات بالتجميد النحاس والألمنيوم والفضة والذهب.

معلومات المصدر: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.