Учебное пособие по материалке от Дистанционщиков (540408), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Фазовые диаграммы сверхпроводников 1-го –а) и 2-го рода – б)Нкр характеризует эквивалентный сверхпроводник 1-города (то есть с той же температурой перехода)В таблице сопоставлены верхнее критическое поле Нкр2 и Вкр при 4.2К итемпература Ткр станнида ниобия - сверхпроводник 2-го рода и свинца сверхпроводника 1-го рода.PbНкр.2(4.2К), А/м4.4.104Вкр, Тл0.08Ткр, К7.2209Nb3Sn≈1.6.10722.018Приведемтакжепримерыкритическихплотностейтоканекоторыхсверхпроводниковых сплавов:• Jкр=8 .108А/м2 при В=0.5Тл;• в молибден-рениевых сплавах (Mo3Re), используемых для изготовленияпроволоки диаметром меньше 0.01мм J кр=108А/м2 в поле с В=1.5Тл;• в ниобий-титановых сплавах для проволоки с 20% ниобия при 4.2КJкр=109А/м2 при В=3Тл;• в ленте из Nb3Sn на подложке из стали с медным покрытием при 4.2К Jкр=(2- 2.7) .
108А/м2 при В=10Тл;• в ванадий-галиевом сплаве V3Ga на лентах из ванадия при 4.2К J кр=4.3 .109А/м2 при В=14Тл.Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП)В начале 1987г. появились сообщения о разработке керамического материала соструктурой YBa2Cu3O7 , в котором сверхпроводящее состояние наступает при 93К вполе с Вкр=5.7Тл. Такие материалы имеют структуру типа перовскита (минералаCaTiO3). Плотность тока в системах Y-Ba-Cu-O получена в настоящее время до 104А/см2, что меньше, чем в металлических сверхпроводниках.В отличие от обычных сверхпроводников ВТСП представляет собой оксиднуюкерамику−металлооксидные соединения, которые трудно получить в видемонокристаллов.
К настоящему времени создано большое число ВТСП керамик,обладающих критической температурой выше температуры кипения жидкого азота, Тснекоторых их них приведены в таблице.Тс сверхпроводящих оксидовСоединениеLa0,925Sr0,075CuO4Bi4Ca3Sr3Cu4O16YBa2Cu3O7Тc, К348592.4СоединениеBi2Sr2Ca2Cu3O10Ta2 Sr2 Ca2 Cu3O10HgBa2 Ca2 Cu3O8Tc, К111123133Структура всех изученных ВТСП-керамик имеет резко выраженную слоистостьтетрагональной или ромбической симметрии с чередованием слоев вдоль оси с. Вкачестве примера на рисунке показаны структуры ΥΒa2Cu3O7.
Общим элементом дляметаллооксидовявляется слой CuO2, называемый купратным слоем. В рядесоединений имеются также цепочки Cu−O. В зависимости от элементов между слоямиCuO2, т.е. от состава промежуточных слоев, ион меди в купратном слое может иметьразличное число ближайших атомов кислорода. Полагают, что слои CuO2 играютважную роль в возникновении высокотемпературной сверхпроводимости. Сослоистостью связывается анизотропия ряда свойств сверхпроводников.Рентгеноструктурные исследования показали, что кристаллическая структураВТСП, как и в обычных сверхпроводниках, не изменяется при переходе через Тс.Однако переход к состоянию с нулевым удельным сопротивлением происходит в болеешироком температурном интервале, чем в низкотемпературных сверхпроводниках, чтосвязывается с наличием в керамике нескольких фаз, имеющих различные критическиетемпературы.Перспективными являются висмутовые системы Bi2Sr2Ca2Cu3Ox , температураперехода которых достигает -158оС.
В популярных изданиях имеются сведения о210получении ВТСП с критической температурой 250 К. Лучшие сверхпроводящие свойстваполучаются в пленочных образцах, пропускающих ток ~106 А/см2.Свойства ВТСП во многом зависят от технологии. Наиболее простой способсостоит в размоле металлических оксидов, прессования смеси и отжиге в атмосферекислорода при температуре 900оС.
Новое вещество образуется в результатехимической реакции. Для устранения межгранулярных прослоек и получения болееупорядоченной ориентации кристаллов полученное соединение подвергают плавке споследующим охлаждением. Исследуются и другие методы получения ВТСП.Для широкого применения ВТСП требуется преодолеть ряд трудностей, к которымможно отнести необходимость получения больших плотностей тока, гибкости,прочности, способности выдерживать большие магнитные и центробежные нагрузки,легкость обработки, стабильность свойств и др.Применение высокотемпературных сверхпроводников(ВТСП)Практическое использование сверхпроводников долгое время сдерживалосьодним из трех основных факторов: низкими температурами сверхпроводящегоперехода, существованием критического магнитного поля и критического тока.Если в криоэлектронике ВТСП успешно применялись уже в 1987 г (СКВИДы,магнитные экраны, различные тонкопленочные приемники СВЧ-излучения, работающиепри 77 К), то использование ВТСП в энергетике — дело ближайшего дня.
В 1999 г. на 3ейМеждународнойконференциипофизико-техническимпроблемамэлектротехнических материалов и компонентов (Москва, Клязьма, Россия, авторы:А.Д.Никулин, А.К.Широков, А.Б. Воробьева) сообщалось, что в результате комплексапроведенных исследований и разработок во ВНИИНМ созданы основы процессасоздания одножильных и многожильных проводников на основе висмутовой системы(Bi-2212 и Bi-2223 ), а также массивных изделий на основе ВТСП керамики Y-Ba-Cu-O.Выпускаются композиционные ВТСП с длиной единичного куска до 250 м, скритическим током до 45 А (77 К, О Тл).
Достигнутый уровень конструктивной плотноститока на таких проводниках− до 6 кА/см2 (77 К, 0 Тс) позволил приступить к изготовлениюизделий криогенной электротехники.В сотрудничестве с МАИ, РНС «Курчатовский Институт», ИФВЭ, НИИЭлектромашин изготовлены и успешно испытаны первые образцы криодвигателей,токовводов, магнитных катушек на основе ВТСП проводников.Для применения в электронной технике многими научными группами ведутсяработы по использованию ВТСП тонких пленок, получаемых различными методами.Например, изучаются подходы к расчету и изготовлению фильтров сквазисосредоточенными и сосредоточенными параметрами и малыми габаритами начастотах 500-2000 МГц, ВТСПматериалы с температурнымкоэффициентомсопротивления близким к нулю для изготовления прецизионных низкотемпературныхрезисторов и др.Перспективы применения сверхпроводников достаточно четко были отражены встатье "Новые сверхпроводники: перспективы применения" Алана М.
Вольски и др. вжурнале Scientific American, апрель 4, 1989 наиболее интересные из которых иприведем ниже.211Рис. 9.10. Области применения сверхпроводниковСверхпроводящиемагниты.Спомощьюобычногоэлектромагнита,представляющего собой катушку из медного провода, размещенной на железномсердечнике, можно создавать поля до 2Тл, причем медные провода выдерживаютплотность тока до 400 А/см2.Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счетувеличения плотности тока до 100000 А/см2.
Такие плотности тока позволяют получатьсплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4 К).Объемные образцы иттрий - барий - оксид меди выдерживают плотность тока до4000А/см2 при температуре жидкого азота (77 К) в поле 1 Тл. В отсутствие магнитногополя плотность тока может достигать 17000 А/см2.Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повыситьКПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он ужедостигает 98.6%.
Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономическирентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только припередаче по ним большого количества энергии.Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии сохлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общиекапитальные затраты уменьшаются еще на 5%.Поезда на магнитной подушке — наиболее перспективное применениесверхпроводников для скоростных поездов.
Стоимость сооружения пути длиной 500кмобойдется в 1.5 - 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% отобщей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.Сверхнизкие температуры до 10-6К достигнуты в магнитных холодильниках прииспользовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космическихи оборонных программ.Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютерна ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых внастоящее время.
Время переключения на переходах Джозефсона (двасверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10-13с дляТкр=10К и 10-14с для материала с Ткр=100К.В 1962 г. Б. Джозефсон теоретически предсказал эффект слабойсверхпроводимости, который служит подтверждением того, что сверхпроводимость квантовое явление. Эффекты Джозефсона, как и эффект квантования магнитногопотока, показывают, что между носителями сверхпроводящего тока - куперовскими212парамисуществует согласованное когерентное поведениеи жесткая фазоваякорреляция.
Джозефсоном было показано, что при туннельных экспериментах спленочными структурамисверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводникследуетожидать просачивания куперовских пар через слой диэлектрика толщиной 10-20 А.Туннельный ток можно наблюдать и при контакте нормального металлаисверхпроводника, разделенных тонким непроводящим слоем.Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Пристационарном эффекте в отсутствие электрического поля сверхпроводящий токпротекает через диэлектрик, если его толщина порядка одного-двух нанометров. Этоозначает, что куперовские пары туннелируют из одного электрода в другой не вызываяпадения напряжения.
Прохождение туннельного тока втаком режиме будетпроисходить до тех пор, пока его плотность не превысит некоторой критическойвеличины, являющейся характеристикой туннельного контакта. Любое магнитное полевлияет на этот сверхпроводящий ток и обращает его в нуль, когда полный магнитныйпоток в диэлектрическом зазоре будет равен целому числу квантов потока Φ0.Джозефсоновский ток зависит от магнитного поля согласно выражениюBI = I0BSin πΦ Φ 0,π Φ Φ0гдеI -ток, зависящий от свойств контакта и не зависящий от поля, Ф0полный магнитный поток в туннельном контакте.Нестационарный эффект Джозефсона состоит в том, что когда плотностьпостоянного туннельного тока превысит критическое значение, то на контакте, кромепостоянной составляющей электрического напряженияV, появляется еще ивысокочастотный переменный ток с угловой частотой ω, причемBB=ω = 2eVПри напряжении на контакте 1 мВ частота переменного джозефсоновского токаравна 4,85·10-1 с-1, что соответствует электромагнитному излучению с длиной волны600 мкм.Эксперименты Джозефсона с классическими сверхпроводниками показали, чтоэлектроны связываются в куперовские пары и заполняют одно квантовое состояние.Эффекты Джозефсона находят применение в приборостроении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
