Свръхпроводници и криопроводници - Училище за електротехник, всичко за електротехниката и електрониката
Свръхпроводници и криопроводници
Известни 27 чисти метала и повече от хиляда различни сплави и съединения, при които е възможен преход в свръхпроводящо състояние. Те включват чисти метали, сплави, интерметални съединения и някои диелектрични материали.
С намаляването на температурата електрическото съпротивление на металите намалява и при много ниски (криогенни) температури електропроводимостта на металите се приближава до абсолютната нула.
През 1911 г., докато охлажда пръстен от замръзнал живак до температура 4,2 К, холандският учен Г. Камерлинг-Онс открива, че електрическото съпротивление на пръстена изведнъж спада до много малка стойност, която не може да бъде измерена. Такова изчезване на електрическо съпротивление, т.е. появата на безкрайна специфична проводимост в даден материал, се нарича свръхпроводимост.
Материалите, които имат способността да преминават в свръхпроводящо състояние, когато са охладени до достатъчно ниска температура, са започнали да се наричат свръхпроводници. Критичната температура на охлаждане, при която настъпва преходът на веществото в свръхпроводящо състояние, се нарича температура на свръхпроводящия преход или критичната температура на преход Tcr.
Преходът към свръхпроводящо състояние е обратим. Когато температурата се повиши до Tc, материалът се връща в нормалното си (непроводимо) състояние.
Особеността на свръхпроводниците е, че веднъж индуциран в свръхпроводяща верига, електрически ток ще циркулира дълго време (в продължение на години) по тази верига без забележимо намаляване на нейната сила и, освен това, без допълнително подаване на енергия отвън. Подобно на постоянен магнит, такава верига създава магнитно поле в околното пространство.
През 1933 г. немските физици У. Майснер и Р. Оксенфелд откриват, че свръхпроводниците се превръщат в идеални диамагнетици при преминаване в свръхпроводящо състояние. Следователно външното магнитно поле не прониква в свръхпроводящото тяло. Ако преходът на материал в свръхпроводящо състояние се случи в магнитно поле, тогава полето се "изтласква" от свръхпроводника.
Известните свръхпроводници имат много ниски критични температури на преход Tc. Следователно устройствата, които използват свръхпроводници, трябва да работят при условия на охлаждане с течен хелий (температурата на втечняване на хелий при нормално налягане е около 4,2 K). Това усложнява и увеличава разходите за производство и експлоатация на свръхпроводящи материали.
В допълнение към живака свръхпроводимостта е присъща и на други чисти метали (химични елементи) и различни сплави и химични съединения. Обаче метали като сребро и мед при най-ниските температури, достигнати в момента, не могат да бъдат трансформирани в свръхпроводящо състояние.
Възможностите за използване на явлението свръхпроводимост се определят от стойностите на температурата на преход към свръхпроводящо състояние Tc и критичната сила на магнитното поле.
Свръхпроводящите материали се класифицират на меки и твърди материали. Чистите метали се класифицират като меки свръхпроводници, с изключение на ниобий, ванадий, телур. Основният недостатък на меките свръхпроводници е ниската сила на критичното магнитно поле.
В електротехниката не се използват меки свръхпроводници, тъй като свръхпроводящото състояние в тези материали изчезва вече в слаби магнитни полета при ниски плътности на тока.