ตัวนำยิ่งยวดและตัวนำความเย็น

ตัวนำยิ่งยวดและตัวนำความเย็น

รู้จักโลหะบริสุทธิ์ 27 ชนิด และโลหะผสมและสารประกอบที่แตกต่างกันกว่าพันชนิด ซึ่งสามารถเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ ซึ่งรวมถึงโลหะบริสุทธิ์ โลหะผสม สารประกอบระหว่างโลหะ และวัสดุไดอิเล็กตริกบางชนิด

ตัวนำยิ่งยวด

เมื่ออุณหภูมิลดลง ความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะของโลหะ ลดลงและที่อุณหภูมิต่ำมาก (การแช่แข็ง) ค่าการนำไฟฟ้าของโลหะจะเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์

ในปี 1911 เมื่อทำให้วงแหวนของปรอทเยือกแข็งเย็นลงจนถึงอุณหภูมิ 4.2 K นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ G. Kamerling-Onnes พบว่าความต้านทานไฟฟ้าของวงแหวนลดลงอย่างกะทันหันจนถึงค่าที่น้อยมากซึ่งไม่สามารถวัดได้ การหายไปของความต้านทานไฟฟ้าเช่น ลักษณะของการนำไฟฟ้าที่ไม่สิ้นสุดในวัสดุเรียกว่าตัวนำยิ่งยวด

วัสดุที่มีความสามารถในการผ่านเข้าสู่สถานะของตัวนำยิ่งยวดได้เมื่อถูกทำให้เย็นลงจนถึงระดับอุณหภูมิที่ต่ำเพียงพอเริ่มถูกเรียกว่าตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิการทำความเย็นวิกฤตที่มีการเปลี่ยนแปลงของสสารเข้าสู่สถานะของตัวนำยิ่งยวดเรียกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดหรืออุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านวิกฤต Tcr

การเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดสามารถย้อนกลับได้ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง Tc วัสดุจะกลับสู่สถานะปกติ (ไม่นำไฟฟ้า)

ลักษณะเฉพาะของตัวนำยิ่งยวดคือเมื่อถูกเหนี่ยวนำในวงจรตัวนำยิ่งยวด กระแสไฟฟ้าจะหมุนเวียนเป็นเวลานาน (ปี) ตามวงจรนี้โดยไม่ลดทอนความแรงของมันลงอย่างเห็นได้ชัด และยิ่งกว่านั้น โดยไม่ต้องจัดหาพลังงานเพิ่มเติมจากภายนอก เช่นเดียวกับแม่เหล็กถาวร วงจรดังกล่าวสร้างขึ้นในพื้นที่โดยรอบ สนามแม่เหล็ก.

ในปี พ.ศ. 2476 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน V. Meissner และ R. Oxenfeld ได้พิสูจน์ว่าตัวนำยิ่งยวดในระหว่างการเปลี่ยนสถานะไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดกลายเป็นไดอะแมกเน็ตในอุดมคติ ดังนั้นสนามแม่เหล็กภายนอกจึงไม่ทะลุผ่านตัวนำยิ่งยวด หากการเปลี่ยนสถานะของวัสดุไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดเกิดขึ้นในสนามแม่เหล็ก สนามจะถูก "ผลัก" ออกจากตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดที่รู้จักมีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านวิกฤตต่ำมาก Tc ดังนั้น อุปกรณ์ที่ใช้ตัวนำยิ่งยวดจะต้องทำงานภายใต้สภาวะการหล่อเย็นด้วยฮีเลียมเหลว (อุณหภูมิการทำให้เหลวของฮีเลียมที่ความดันปกติคือประมาณ 4.2 DA SE) สิ่งนี้ทำให้เกิดความยุ่งยากและเพิ่มต้นทุนในการผลิตและการใช้วัสดุตัวนำยิ่งยวด

นอกจากปรอทแล้ว ตัวนำยิ่งยวดยังมีอยู่ในโลหะบริสุทธิ์อื่นๆ (องค์ประกอบทางเคมี) และโลหะผสมและสารประกอบทางเคมีต่างๆ อย่างไรก็ตาม สำหรับโลหะส่วนใหญ่ เช่น เงินและทองแดง อุณหภูมิที่ต่ำจนถึงขณะนี้จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดหากเงื่อนไขล้มเหลว

ความเป็นไปได้ของการใช้ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดนั้นพิจารณาจากค่าของอุณหภูมิของการเปลี่ยนไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดของ Tc และความแรงวิกฤตของสนามแม่เหล็ก

วัสดุตัวนำยิ่งยวดแบ่งออกเป็นแบบอ่อนและแบบแข็ง ตัวนำยิ่งยวดแบบอ่อนรวมถึงโลหะบริสุทธิ์ ยกเว้นไนโอเบียม วาเนเดียม เทลลูเรียม ข้อเสียเปรียบหลักของตัวนำยิ่งยวดแบบอ่อนคือค่าความแรงของสนามแม่เหล็กวิกฤตที่ต่ำ

ในงานวิศวกรรมไฟฟ้า ไม่ใช้ตัวนำยิ่งยวดแบบอ่อน เนื่องจากสถานะของตัวนำยิ่งยวดในนั้นหายไปแล้วในสนามแม่เหล็กอ่อนที่ความหนาแน่นกระแสต่ำ

ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นของแข็งรวมถึงโลหะผสมที่มีโครงผลึกบิดเบี้ยว พวกมันยังคงรักษาสภาพตัวนำยิ่งยวดแม้ในกระแสที่มีความหนาแน่นค่อนข้างสูงและสนามแม่เหล็กแรงสูง

คุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดที่เป็นของแข็งถูกค้นพบในช่วงกลางศตวรรษนี้ และจนถึงขณะนี้ปัญหาของการวิจัยและการประยุกต์ใช้เป็นปัญหาที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่

ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นของแข็งมีหน้าที่หลายอย่าง:

• ในการทำให้เย็นลง การเปลี่ยนไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวดจะไม่เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน เช่นเดียวกับในตัวนำยิ่งยวดแบบอ่อนและในช่วงอุณหภูมิหนึ่งๆ

• ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นของแข็งบางตัวไม่เพียง แต่มีค่าค่อนข้างสูงของอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านที่สำคัญ Tc แต่ยังมีค่าที่ค่อนข้างสูง Vkr การเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่สำคัญ

• ในการเปลี่ยนแปลงของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสามารถสังเกตสถานะระหว่างตัวนำยิ่งยวดและปกติได้

• มีแนวโน้มที่จะกระจายพลังงานเมื่อส่งกระแสสลับผ่านพวกมัน

• คุณสมบัติที่น่าติดตามของตัวนำยิ่งยวดจากวิธีการผลิตทางเทคโนโลยี ความบริสุทธิ์ของวัสดุ และความสมบูรณ์แบบของโครงสร้างผลึก

ตามคุณสมบัติทางเทคโนโลยี ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นของแข็งแบ่งออกเป็นประเภทต่อไปนี้:

• เปลี่ยนรูปได้ค่อนข้างง่ายซึ่งลวดและแถบ [ไนโอเบียม, โลหะผสมไนโอเบียม-ไททาเนียม (Nb-Ti), วาเนเดียม-แกลเลียม (V-Ga)]);

• ยากต่อการเปลี่ยนรูปเนื่องจากความเปราะบาง ซึ่งได้ผลิตภัณฑ์มาด้วยวิธีผงโลหะ (วัสดุระหว่างโลหะ เช่น ไนโอเบียม สแตนไนด์ Nb3Sn)

สายไฟตัวนำยิ่งยวดมักจะหุ้มด้วยปลอก "ทำให้เสถียร" ที่ทำจากทองแดงหรือวัสดุที่นำไฟฟ้าได้สูงอื่นๆ ไฟฟ้า และความร้อนของโลหะ ซึ่งทำให้สามารถหลีกเลี่ยงไม่ให้วัสดุฐานของตัวนำยิ่งยวดเสียหายหากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นโดยไม่ตั้งใจ

ในบางกรณี มีการใช้ลวดตัวนำยิ่งยวดแบบคอมโพสิต ซึ่งเส้นใยบางๆ ของวัสดุตัวนำยิ่งยวดจำนวนมากถูกห่อหุ้มด้วยปลอกแข็งที่ทำจากทองแดงหรือวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าอื่นๆ

วัสดุฟิล์มตัวนำยิ่งยวดมีคุณสมบัติพิเศษ:

• อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านที่สำคัญ Tcr ในบางกรณีสูงกว่า Tcr วัสดุจำนวนมากอย่างมีนัยสำคัญ

• ค่ากระแส จำกัด จำนวนมากผ่านตัวนำยิ่งยวด

• ช่วงอุณหภูมิที่น้อยลงของการเปลี่ยนไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำยิ่งยวดใช้ในการสร้าง: เครื่องจักรไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้าที่มีมวลและขนาดขนาดเล็กพร้อมปัจจัยประสิทธิภาพสูง สายเคเบิลขนาดใหญ่สำหรับการส่งไฟฟ้าในระยะทางไกล ท่อนำคลื่นลดทอนต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ขับเคลื่อนอุปกรณ์พลังงานและหน่วยความจำ เลนส์แม่เหล็กของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ขดลวดเหนี่ยวนำพร้อมสายไฟพิมพ์

ขึ้นอยู่กับตัวนำยิ่งยวดของฟิล์มสร้างอุปกรณ์เก็บข้อมูลจำนวนหนึ่งและ องค์ประกอบอัตโนมัติ และเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์

ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าจากตัวนำยิ่งยวดทำให้สามารถรับค่าความแรงของสนามแม่เหล็กได้สูงสุด

ไครโอโพรบ

โลหะบางชนิดสามารถเข้าถึงค่าความต้านทานไฟฟ้าจำเพาะ p ที่อุณหภูมิต่ำ (อุณหภูมิเย็นจัด) ซึ่งมีค่าน้อยกว่าความต้านทานไฟฟ้าที่อุณหภูมิปกติหลายร้อยหลายพันเท่า วัสดุที่มีคุณสมบัติเหล่านี้เรียกว่าตัวนำความเย็น (ตัวนำไฮเปอร์)

ในทางกายภาพ ปรากฏการณ์ของตัวนำไฟฟ้านั้นไม่เหมือนกับปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวด ความหนาแน่นกระแสในตัวนำความเย็นที่อุณหภูมิการทำงานสูงกว่าความหนาแน่นกระแสในอุณหภูมิปกติหลายพันเท่า ซึ่งเป็นตัวกำหนดการใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสสูงที่อยู่ภายใต้ข้อกำหนดสูงสำหรับความน่าเชื่อถือและความปลอดภัยในการระเบิด

การใช้ตัวนำความเย็นในเครื่องจักรไฟฟ้า สายเคเบิล ฯลฯ มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือตัวนำยิ่งยวด

หากใช้ฮีเลียมเหลวในอุปกรณ์ตัวนำยิ่งยวด การทำงานของตัวนำความเย็นจะมั่นใจได้เนื่องจากจุดเดือดสูงกว่าและสารทำความเย็นราคาถูก เช่น ไฮโดรเจนเหลวหรือแม้แต่ไนโตรเจนเหลว ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากและลดต้นทุนการผลิตและการใช้งานอุปกรณ์ อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องพิจารณาปัญหาทางเทคนิคที่เกิดขึ้นเมื่อใช้ไฮโดรเจนเหลว การขึ้นรูปส่วนผสมที่ระเบิดได้กับอากาศในอัตราส่วนที่แน่นอนของส่วนประกอบ

เนื่องจากตัวประมวลผลความเย็นใช้ทองแดง อะลูมิเนียม เงิน ทอง

แหล่งข้อมูล: "Electromaterials" Zhuravleva L. V.