Применение криопроводников

Криопроводники (или гиперпроводники) – это металлы, об­ладающие весьма низким электрическим сопротивлением при низких температурах, но выше критических температур сверх­проводников. Это температуры жидкого водорода (20,4 К), жидкого неона (27,3 К) и жидкого азота (77,4 К), при которых электрическое сопротивление криопроводников резко умень­шается. Объясняется это резким снижением интенсивности ко­лебания кристаллической решёки, что уменьшает рассеяние электронов, составляющих ток в металлических проводниках. Степень рассеяния электронов в этом случае будет опреде­ляться только частицами примесей, содержащихся в металличе­ском криопроводнике. Поэтому в качестве криопроводников применяют проводниковые металлы высокой химической чис­тоты: особо чистые медь (Сu 99,99 %), алюминий (Al  99,999 %), серебро (Ag  99,99 %) и бериллий (Be  99,95 %). Эти криопроводники применяют в отожжёном (мягком) состоянии, что повышает их проводимость [6].

Таблица 2.3 - Сверхпроводящие оксиды

Физическая сущность криопроводимости несходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость – частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но всё же конечное значение ρ криопроводииков ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотноcть может быть все же гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Крио­проводники, у которых при изменении температуры в широком диапазоне ρ меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффекте возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверх­проводниковых запоминающих устройствах). Не обнаруживаются при криопроводимости и другие, специфические для сверхпроводников явления, такие, как эффект Мейснера – Оксенфельда [1,5].

Рисунок 2.9 – Схема, показывающая рост температуры сверхпроводящего перехода Т_С  высокотемпературных сверхпроводников в период с 1911 по 1989 год

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в электрических машинах, аппаратах и других электротехни­ческих устройствах может иметь свои преимущества. Исполь­зование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота (вместо жидкого гелия, который имеет температуру ки­пения 4,2 К и который значительно дороже других хладагентов) упрощает и удешевляет выполнение тепловой изоляции устройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Кроме того, в сверхпроводящем контуре с большим током накапливается большое количество энергии магнитного поля, равное LI²/2 (L –индуктивность, Гн; I – ток, А). При случайном повыше­нии температуры или магнитной индукции свыше значений, со­ответствующих переходу сверхпроводника в нормальное со­стояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверхпроводимость будет нарушена, что приведёт к внезапному освобождению большого количества энергии. Для криопроводящей цепи такой опасности нет, так как повышение темпера­туры может повлечь за собой лишь постепенное, плавное уве­личение сопротивления контура.

В качестве криопроводникового материала практический ин­терес представляют собой алюминий (при температуре жидкого водорода) и бериллий (при температуре жидкого азота). Проблема выбора оптимального криопроподникового материала с точки зрения технико-экономических показателей сводится при этом к следующему: применить легкодоступный и дешёвый алюминий и получить наименьшее возможное для криопроводника значение удельного сопротивления, но при этом нельзя не учитывать взрывоопасность водородно-воздушной смеси; или же применить более дорогой, дефицитный, сложный в техноло­гическом отношении бериллий, но зато использовать в качестве хладагента более дешёвый и легкодоступный жидкий азот и тем самым уменьшить затраты мощности на охлаждение.

Криопроводники применяют в основном для изготовления токопроводящих жил кабелей и проводов. Обмотки электриче­ских машин, трансформаторов и электрических аппаратов, из­готовленных из криопроводников и работающих при криоген­ных температурах, допускают большие плотности тока и обла­дают малыми потерями. Это позволяет значительно уменьшить габаритные размеры и массу электрических машин и аппара­тов (в криогенном исполнении) и существенно повысить их.