מוליכים על ומוליכי קריו

מוליכים על ומוליכי קריו

ידועות 27 מתכות טהורות ויותר מאלף סגסוגות ותרכובות שונות שבהן אפשרי מעבר למצב מוליך. אלה כוללים מתכות טהורות, סגסוגות, תרכובות בין-מתכתיות וכמה חומרים דיאלקטריים.

מוליכי-על

כשהטמפרטורה יורדת התנגדות חשמלית ספציפית של מתכות יורד ובטמפרטורות נמוכות מאוד (קריוגניות), המוליכות החשמלית של מתכות מתקרבת לאפס המוחלט.

בשנת 1911, כאשר קירר טבעת כספית קפואה לטמפרטורה של 4.2 K, המדען ההולנדי G. Kamerling-Onnes מצא שההתנגדות החשמלית של הטבעות ירדה לפתע לערך קטן מאוד שלא ניתן למדוד. היעלמות כזו של התנגדות חשמלית, כלומר. הופעת מוליכות אינסופית בחומר נקראת מוליכות-על.

חומרים בעלי יכולת לעבור למצב מוליך כשהם מתקררים לרמת טמפרטורה נמוכה מספיק החלו להיקרא מוליכים.טמפרטורת הקירור הקריטית שבה יש מעבר של חומר למצב מוליך נקראת טמפרטורת המעבר המוליך או טמפרטורת המעבר הקריטית Tcr.

מעבר מוליך-על הוא הפיך. כאשר הטמפרטורה עולה ל-Tc, החומר חוזר למצבו הרגיל (לא מוליך).

מאפיין של מוליכים הוא שברגע שהוא מושרה במעגל מוליך, הזרם החשמלי יסתובב במשך זמן רב (שנים) לאורך מעגל זה ללא הפחתה ניכרת בחוזק שלו ויותר מכך, ללא אספקת אנרגיה נוספת מבחוץ. כמו מגנט קבוע, מעגל כזה יוצר בחלל שמסביב שדה מגנטי.

בשנת 1933, הפיזיקאים הגרמנים V. Meissner ו-R. Oxenfeld קבעו שמוליכי-על במהלך המעבר למצב המוליכים הופכים לדיאמגנטים אידיאליים. לכן, השדה המגנטי החיצוני אינו חודר לגוף מוליך-על. אם המעבר של החומר למצב מוליך מתרחש בשדה מגנטי, אז השדה "נדחק" החוצה מהמוליך.

למוליכים ידועים יש טמפרטורות מעבר קריטיות נמוכות מאוד Tc. לכן, מכשירים שבהם הם משתמשים במוליכי-על חייבים לפעול בתנאי קירור הליום נוזלי (טמפרטורת ההנזלה של הליום בלחץ רגיל היא כ-4.2 DA SE). זה מסבך ומגדיל את עלות הייצור וההפעלה של חומרים מוליכים-על.

מלבד כספית, מוליכות-על טבועה במתכות טהורות אחרות (יסודות כימיים) ובסגסוגות שונות ותרכובות כימיות. עם זאת, לרוב המתכות כגון כסף ונחושת, הטמפרטורות הנמוכות שמגיעות אליהן כרגע הופכות למוליכות-על אם המצב נכשל.

אפשרויות השימוש בתופעת מוליכות-על נקבעות על פי ערכי הטמפרטורה של המעבר למצב המוליך-על של Tc והחוזק הקריטי של השדה המגנטי.

חומרים מוליכים-על מחולקים לרכים וקשים. מוליכים רכים כוללים מתכות טהורות, למעט ניוביום, ונדיום, טלוריום. החיסרון העיקרי של מוליכים רכים הוא הערך הנמוך של עוצמת השדה המגנטי הקריטי.

בהנדסת חשמל לא משתמשים במוליכי-על רכים, כי המצב המוליך בהם נעלם כבר בשדות מגנטיים חלשים בצפיפות זרם נמוכה.

מוליכים מוצקים כוללים סגסוגות עם סריג קריסטל מעוות. הם שומרים על מוליכות-על אפילו בצפיפות זרם גבוהה יחסית ושדות מגנטיים חזקים.

מאפיינים של מוליכים מוצקים התגלו באמצע המאה הזו, ועד כה בעיית המחקר והיישום שלהם היא אחת הבעיות החשובות ביותר של המדע והטכנולוגיה המודרנית.

למוליכים מוצקים יש מספר פונקציות:

• בקירור, המעבר למצב מוליך-על אינו מתרחש באופן פתאומי, כמו במוליכי-על רכים ובמרווח טמפרטורות מסוים;

• לחלק ממוליכים מוצקים יש לא רק ערכים גבוהים יחסית של טמפרטורת מעבר קריטית Tc, אלא גם ערכים גבוהים יחסית של אינדוקציה מגנטית קריטית Vkr;

• בשינויים באינדוקציה מגנטית, ניתן להבחין במצבי ביניים בין מוליך-על לנורמלי;

• בעלי נטייה לפזר אנרגיה בעת העברת זרם חילופין דרכם;

• תכונות ממכרות של מוליכות-על משיטות ייצור טכנולוגיות, טוהר החומר והשלמות של מבנה הגביש שלו.

על פי מאפיינים טכנולוגיים, מוליכים מוצקים מחולקים לסוגים הבאים:

• ניתן לעיוות בקלות יחסית של איזה חוט ורצועות [ניוביום, סגסוגות ניוביום-טיטניום (Nb-Ti), ונדיום-גליום (V-Ga)];

• קשה לעיוות עקב שבריריות, שממנו מתקבלים מוצרים בשיטות מטלורגיית אבקה (חומרים בין-מתכתיים כגון ניוביום סטאניד Nb3Sn).

לעתים קרובות חוטים מוליכי-על מכוסים במעטפת "מייצב" עשוי נחושת או חומר אחר בעל מוליכות גבוהה חַשְׁמַל והחום של המתכת, המאפשר להימנע מפגיעה בחומר הבסיס של המוליך העל עם עלייה מקרית בטמפרטורה.

במקרים מסוימים משתמשים בחוטים מוליכים מרוכבים, שבהם מספר רב של חוטים דקים של חומר מוליך סגורים במעטפת מוצקה של נחושת או חומר לא מוליך אחר.

לחומרי סרט מוליכים-על יש תכונות מיוחדות:

• טמפרטורת מעבר קריטית Tcr בחלק מהמקרים עולה באופן משמעותי על חומרים בתפזורת Tcr;

• ערכים גדולים של הזרמים המגבילים שעברו דרך המוליך;

• פחות טווח טמפרטורות של המעבר למצב מוליך-על.

מוליכים על משמשים בעת יצירת: מכונות חשמליות ושנאים עם מסה קטנה וממדים עם מקדם יעילות גבוה; קווי כבלים גדולים להעברת חשמל למרחקים ארוכים; מוליכי גל הנחתה נמוכה במיוחד; כונן כוח והתקני זיכרון; עדשות מגנטיות של מיקרוסקופים אלקטרונים; סלילי השראות עם חיווט מודפס.

על בסיס סרט מוליכים יצרו מספר התקני אחסון ו אלמנטים של אוטומציה וטכנולוגיית מחשוב.

סלילים אלקטרומגנטיים ממוליכי-על מאפשרים להשיג את הערכים המקסימליים האפשריים של חוזק השדה המגנטי.

קריופרובס

מתכות מסוימות יכולות להגיע בטמפרטורות נמוכות (קריוגניות) לערך קטן מאוד של ההתנגדות החשמלית הספציפית p, שהיא קטנה מאות ואלפי מונים מההתנגדות החשמלית בטמפרטורה רגילה. חומרים בעלי תכונות אלו נקראים קריו-מוליכים (מוליכים יתר).

מבחינה פיזיקלית, תופעת המוליכות הקריו אינה דומה לתופעת העל-מוליכות. צפיפות הזרם במוליכים קריו בטמפרטורות הפעלה גבוהה אלפי מונים מצפיפות הזרם בהם בטמפרטורה רגילה, מה שקובע את השימוש בהם במכשירים חשמליים בעלי זרם גבוה הכפופים לדרישות גבוהות לאמינות ובטיחות פיצוץ.

יישום של מוליכים קריו במכונות חשמל, כבלים וכו'. יש יתרון משמעותי על מוליכים.

אם נעשה שימוש בהליום נוזלי במכשירים מוליכים, פעולתם של מוליכים קריו מובטחת בשל נקודת הרתיחה הגבוהה וחומרי קירור זולים - מימן נוזלי או אפילו חנקן נוזלי. זה מפשט ומפחית את עלות הייצור והתפעול של המכשיר. עם זאת, יש צורך לשקול קשיים טכניים המתעוררים בעת שימוש במימן נוזלי, ויוצרים, ביחס מסוים של רכיבים, תערובת נפיצה עם אוויר.

כמעבדי קריו משתמשים בנחושת, אלומיניום, כסף, זהב.

מידע מקור: "חומרי אלקטרו" Zhuravleva L. V.