Ülijuhid ja krüojuhid

Ülijuhid ja krüojuhid

Tuntud 27 puhast metalli ja enam kui tuhat erinevat sulamit ja ühendit, milles on võimalik üleminek ülijuhtivasse olekusse. Nende hulka kuuluvad puhtad metallid, sulamid, intermetallilised ühendid ja mõned dielektrilised materjalid.

Ülijuhid

Kui temperatuur langeb metallide elektriline eritakistus väheneb ja väga madalatel (krüogeensetel) temperatuuridel läheneb metallide elektrijuhtivus absoluutsele nullile.

1911. aastal, jahutades külmunud elavhõbeda rõnga temperatuurini 4,2 K, avastas Hollandi teadlane G. Kamerling-Onnes, et rõngaste elektritakistus langes ootamatult väga väikese väärtuseni, mida ei olnud võimalik mõõta. Selline elektritakistuse kadumine, s.o. lõpmatu juhtivuse ilmnemist materjalis nimetatakse ülijuhtivuseks.

Ülijuhtideks hakati nimetama materjale, millel on piisavalt madala temperatuurini jahutamisel võime minna ülijuhtivasse olekusse.Kriitilist jahutustemperatuuri, mille juures toimub aine üleminek ülijuhtivasse olekusse, nimetatakse ülijuhtiva ülemineku temperatuuriks või kriitiliseks üleminekutemperatuuriks Tcr.

Ülijuhtiv üleminek on pöörduv. Kui temperatuur tõuseb Tc-ni, naaseb materjal normaalsesse (mittejuhtivasse) olekusse.

Ülijuhtide eripäraks on see, et ülijuhtivas ahelas indutseeritud elektrivool ringleb pikka aega (aastaid) mööda seda vooluringi, ilma selle tugevuse märgatava vähenemiseta ja lisaks ilma täiendava energiavarustuseta väljastpoolt. Sarnaselt püsimagnetiga loob selline vooluahel ümbritsevasse ruumi magnetväli.

1933. aastal tegid Saksa füüsikud V. Meissner ja R. Oxenfeld kindlaks, et ülijuhtivasse olekusse ülemineku ajal saavad ülijuhid ideaalseteks diamagnetideks. Seetõttu ei tungi väline magnetväli ülijuhtivasse kehasse. Kui materjali üleminek ülijuhtivasse olekusse toimub magnetväljas, siis väli "surutakse" ülijuhist välja.

Tuntud ülijuhtidel on väga madal kriitiline üleminekutemperatuur Tc. Seetõttu peavad seadmed, milles nad kasutavad ülijuhte, töötama vedela heeliumi jahutamise tingimustes (heeliumi veeldustemperatuur normaalrõhul on umbes 4,2 DA SE). See raskendab ülijuhtivate materjalide tootmist ja käitamist ning suurendab nende kulusid.

Ülijuhtivus on peale elavhõbeda omane ka teistele puhastele metallidele (keemilistele elementidele) ning erinevatele sulamitele ja keemilistele ühenditele. Enamiku metallide (nt hõbe ja vask) puhul muutuvad hetkel saavutatud madalad temperatuurid aga ülijuhtivaks, kui tingimus ebaõnnestub.

Ülijuhtivuse nähtuse kasutamise võimalused määravad Tc ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuuri väärtused ja magnetvälja kriitiline tugevus.

Ülijuhtivad materjalid jagunevad pehmeteks ja kõvadeks. Pehmete ülijuhtide hulka kuuluvad puhtad metallid, välja arvatud nioobium, vanaadium, telluur. Pehmete ülijuhtide peamiseks puuduseks on kriitilise magnetvälja tugevuse madal väärtus.

Elektrotehnikas pehmeid ülijuhte ei kasutata, sest neis kaob ülijuhtiv olek juba nõrkades magnetväljades madala voolutiheduse korral.

Tahkete ülijuhtide hulka kuuluvad moonutatud kristallvõrega sulamid. Nad säilitavad ülijuhtivuse isegi suhteliselt suure voolutiheduse ja tugevate magnetväljade korral.

Tahkete ülijuhtide omadused avastati selle sajandi keskel ning siiani on nende uurimise ja rakendamise probleem tänapäevase teaduse ja tehnoloogia üks olulisemaid probleeme.

Tahketel ülijuhtidel on mitmeid funktsioone:

• jahutamisel ei toimu üleminek ülijuhtivasse olekusse järsult, nagu pehmetes ülijuhtides ja teatud temperatuurivahemikus;

• mõnel tahkel ülijuhtidel pole mitte ainult suhteliselt kõrged kriitilise üleminekutemperatuuri Tc väärtused, vaid ka suhteliselt kõrged kriitilise magnetinduktsiooni Vkr väärtused;

• magnetilise induktsiooni muutustes võib täheldada ülijuhtivuse ja normaalse vaheseisundeid;

• neil on kalduvus vahelduvvoolu läbimisel energiat hajutada;

• Ülijuhtivuse sõltuvust tekitavad omadused tootmistehnoloogilistest meetoditest, materjali puhtus ja selle kristallstruktuuri täiuslikkus.

Tehnoloogiliste omaduste järgi jagunevad tahked ülijuhid järgmisteks tüüpideks:

• suhteliselt kergesti deformeeruv millest traat ja ribad [nioobium, nioobium-titaanisulamid (Nb-Ti), vanaadium-gallium (V-Ga)];

• hapruse tõttu raskesti deformeeruv, millest saadakse tooteid pulbermetallurgia meetoditel (metallidevahelised materjalid nagu nioobiumstaniid Nb3Sn).

Sageli ülijuhtivad juhtmed, mis on kaetud vasest või muust väga juhtivast materjalist "stabiliseeriva" ümbrisega elektrit ja metalli soojust, mis võimaldab vältida ülijuhi alusmaterjali kahjustamist juhusliku temperatuuri tõusuga.

Mõnel juhul kasutatakse komposiitülijuhtivaid juhtmeid, milles suur hulk õhukesi ülijuhtivast materjalist filamente on ümbritsetud vasest või muust mittejuhtivast materjalist koosneva tahke kestaga.

Ülijuhtivatel kilematerjalidel on erilised omadused:

• kriitiline üleminekutemperatuur Tcr ületab mõnel juhul oluliselt puistematerjalide Tcr;

• ülijuhti läbivate piiravate voolude suured väärtused;

• ülijuhtivasse olekusse üleminekul väiksem temperatuurivahemik.

Ülijuhte kasutatakse loomisel: väikese massi ja mõõtmetega suure kasuteguriga elektrimasinad ja trafod; suured kaabelliinid jõuülekandeks pikkadel vahemaadel; eriti madala sumbumisega lainejuhid; juhib toite- ja mäluseadmeid; elektronmikroskoopide magnetläätsed; trükitud juhtmestikuga induktiivpoolid.

Kile ülijuhtide põhjal lõid mitmed salvestusseadmed ja automaatika elemendid ja arvutustehnoloogia.

Ülijuhtide elektromagnetmähised võimaldavad saada magnetvälja tugevuse maksimaalseid võimalikke väärtusi.

Krüoproobid

Mõned metallid võivad madalal (krüogeensel) temperatuuril jõuda elektrilise eritakistuse p väga väikese väärtuseni, mis on sadu ja tuhandeid kordi väiksem kui elektritakistus normaaltemperatuuril. Nende omadustega materjale nimetatakse krüojuhtideks (hüperjuhtideks).

Füüsiliselt ei ole krüojuhtivuse nähtus sarnane ülijuhtivuse nähtusega. Krüojuhtide voolutihedus töötemperatuuridel on tuhandeid kordi suurem kui voolutihedus neis normaaltemperatuuril, mis määrab nende kasutamise kõrge voolutugevusega elektriseadmetes, millele kehtivad kõrged töökindluse ja plahvatusohutuse nõuded.

Krüojuhtide kasutamine elektrimasinates, kaablites jne. on ülijuhtide ees märkimisväärne eelis.

Kui ülijuhtivates seadmetes kasutatakse vedelat heeliumi, on krüojuhtide töö tagatud tänu kõrgemale keemistemperatuurile ja odavatele külmutusagensidele — vedelale vesinikule või isegi vedelale lämmastikule. See lihtsustab ja vähendab seadme tootmis- ja käitamiskulusid. Siiski tuleb arvestada tehniliste raskustega, mis tekivad vedela vesiniku kasutamisel, moodustades teatud komponentide vahekorras õhuga plahvatusohtliku segu.

Krüoprotsessoritena kasutatakse vaske, alumiiniumi, hõbedat, kulda.

Allikateave: "Elektromaterjalid" Zhuravleva L. V.