Supraleiter und Kryoleiter

Supraleiter und Kryoleiter

Bekannt sind 27 reine Metalle und mehr als tausend verschiedene Legierungen und Verbindungen, bei denen ein Übergang in einen supraleitenden Zustand möglich ist. Dazu gehören reine Metalle, Legierungen, intermetallische Verbindungen und einige dielektrische Materialien.

Supraleiter

Wenn die Temperatur sinkt spezifischer elektrischer Widerstand von Metallen abnimmt und bei sehr niedrigen (kryogenen) Temperaturen nähert sich die elektrische Leitfähigkeit von Metallen dem absoluten Nullpunkt.

Als der niederländische Wissenschaftler G. Kamerling-Onnes 1911 einen Ring aus gefrorenem Quecksilber auf eine Temperatur von 4,2 K abkühlte, stellte er fest, dass der elektrische Widerstand der Ringe plötzlich auf einen sehr kleinen Wert abfiel, der nicht gemessen werden konnte. Ein solches Verschwinden des elektrischen Widerstands, d.h. Das Auftreten einer unendlichen Leitfähigkeit in einem Material wird Supraleitung genannt.

Materialien, die bei Abkühlung auf ein ausreichend niedriges Temperaturniveau in einen supraleitenden Zustand übergehen können, wurden als Supraleiter bezeichnet.Die kritische Abkühltemperatur, bei der ein Übergang der Materie in einen supraleitenden Zustand erfolgt, wird supraleitende Übergangstemperatur oder kritische Übergangstemperatur Tcr genannt.

Ein supraleitender Übergang ist reversibel. Wenn die Temperatur auf Tc ansteigt, kehrt das Material in seinen normalen (nichtleitenden) Zustand zurück.

Ein Merkmal von Supraleitern besteht darin, dass der elektrische Strom, sobald er in einen supraleitenden Stromkreis induziert wurde, über einen langen Zeitraum (Jahre) entlang dieses Stromkreises zirkuliert, ohne dass seine Stärke nennenswert abnimmt und darüber hinaus ohne zusätzliche Energiezufuhr von außen. Wie ein Permanentmagnet erzeugt ein solcher Stromkreis im umgebenden Raum Magnetfeld.

1933 stellten die deutschen Physiker V. Meissner und R. Oxenfeld fest, dass Supraleiter beim Übergang in den supraleitenden Zustand zu idealen Diamagneten werden. Daher dringt das äußere Magnetfeld nicht in einen supraleitenden Körper ein. Erfolgt der Übergang des Materials in einen supraleitenden Zustand in einem Magnetfeld, so wird das Feld aus dem Supraleiter „verdrängt“.

Bekannte Supraleiter haben sehr niedrige kritische Übergangstemperaturen Tc. Daher müssen Geräte, in denen Supraleiter verwendet werden, unter Kühlbedingungen für flüssiges Helium betrieben werden (die Verflüssigungstemperatur von Helium bei Normaldruck beträgt etwa 4,2 DA SE). Dies verkompliziert und erhöht die Kosten für die Herstellung und den Betrieb supraleitender Materialien.

Supraleitung ist neben Quecksilber auch anderen reinen Metallen (chemischen Elementen) sowie verschiedenen Legierungen und chemischen Verbindungen eigen. Allerdings werden bei den meisten Metallen wie Silber und Kupfer die momentan erreichten niedrigen Temperaturen supraleitend, wenn die Bedingung versagt.

Die Möglichkeiten zur Nutzung des Phänomens der Supraleitung werden durch die Werte der Temperatur des Übergangs in den supraleitenden Zustand Tc und die kritische Stärke des Magnetfelds bestimmt.

Supraleitende Materialien werden in weiche und harte Materialien unterteilt. Zu den weichen Supraleitern gehören reine Metalle mit Ausnahme von Niob, Vanadium und Tellur. Der Hauptnachteil weicher Supraleiter ist der niedrige Wert der kritischen Magnetfeldstärke.

In der Elektrotechnik werden weiche Supraleiter nicht verwendet, da der supraleitende Zustand in ihnen bereits in schwachen Magnetfeldern bei niedrigen Stromdichten verschwindet.

Zu den festen Supraleitern gehören Legierungen mit verzerrten Kristallgittern. Sie behalten ihre Supraleitung auch bei relativ hohen Stromdichten und starken Magnetfeldern.

Die Eigenschaften fester Supraleiter wurden Mitte dieses Jahrhunderts entdeckt, und bis heute ist das Problem ihrer Erforschung und Anwendung eines der wichtigsten Probleme der modernen Wissenschaft und Technologie.

Feste Supraleiter haben mehrere Funktionen:

• beim Abkühlen erfolgt der Übergang in den supraleitenden Zustand nicht abrupt, wie bei weichen Supraleitern und für ein bestimmtes Temperaturintervall;

• einige feste Supraleiter haben nicht nur relativ hohe Werte der kritischen Übergangstemperatur Tc, sondern auch relativ hohe Werte der kritischen magnetischen Induktion Vkr;

• bei Änderungen der magnetischen Induktion können Zwischenzustände zwischen Supraleitung und Normalzustand beobachtet werden;

• neigen dazu, Energie zu zerstreuen, wenn Wechselstrom durch sie fließt;

• süchtig machende Eigenschaften der Supraleitung aus technologischen Produktionsmethoden, Materialreinheit und der Perfektion seiner Kristallstruktur.

Je nach technologischen Eigenschaften werden feste Supraleiter in folgende Typen eingeteilt:

• relativ leicht verformbar, darunter Drähte und Bänder [Niob, Niob-Titan-Legierungen (Nb-Ti), Vanadium-Gallium (V-Ga)];

• aufgrund der Zerbrechlichkeit schwer zu verformen, aus dem durch pulvermetallurgische Verfahren Produkte gewonnen werden (intermetallische Materialien wie Niobstanid Nb3Sn).

Oft sind supraleitende Drähte mit einer „stabilisierenden“ Hülle aus Kupfer oder einem anderen hochleitfähigen Material überzogen Elektrizität und die Hitze des Metalls, wodurch eine Beschädigung des Grundmaterials des Supraleiters durch einen unbeabsichtigten Temperaturanstieg vermieden werden kann.

In einigen Fällen werden supraleitende Verbunddrähte verwendet, bei denen eine große Anzahl dünner Filamente aus supraleitendem Material in einer festen Hülle aus Kupfer oder einem anderen nichtleitenden Material eingeschlossen sind.

Supraleitende Filmmaterialien haben besondere Eigenschaften:

• Die kritische Übergangstemperatur Tcr übersteigt in einigen Fällen die Tcr-Massenmaterialien erheblich.

• große Werte der durch den Supraleiter fließenden Grenzströme;

• geringerer Temperaturbereich des Übergangs in den supraleitenden Zustand.

Supraleiter werden bei der Herstellung verwendet: elektrische Maschinen und Transformatoren mit geringer Masse und Abmessungen mit hohem Wirkungsgrad; große Kabeltrassen zur Stromübertragung über große Entfernungen; besonders dämpfungsarme Wellenleiter; treibt Strom- und Speichergeräte an; magnetische Linsen von Elektronenmikroskopen; Induktionsspulen mit gedruckter Verdrahtung.

Basierend auf Filmsupraleitern entstanden eine Reihe von Speichergeräten und Automatisierungselemente und Computertechnologie.

Elektromagnetische Spulen aus Supraleitern ermöglichen es, die maximal möglichen Werte der magnetischen Feldstärke zu erreichen.

Kryosonden

Einige Metalle können bei niedrigen (kryogenen) Temperaturen einen sehr kleinen Wert des spezifischen elektrischen Widerstands p erreichen, der hunderte und tausende Male kleiner ist als der elektrische Widerstand bei normaler Temperatur. Materialien mit diesen Eigenschaften werden Kryoleiter (Hyperleiter) genannt.

Physikalisch gesehen ähnelt das Phänomen der Kryoleitung nicht dem Phänomen der Supraleitung. Die Stromdichte in Kryoleitern ist bei Betriebstemperatur tausendfach höher als die Stromdichte in ihnen bei Normaltemperatur, was ihren Einsatz in Hochstrom-Elektrogeräten bestimmt, an die hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Explosionssicherheit gestellt werden.

Einsatz von Kryoleitern in elektrischen Maschinen, Kabeln etc. hat einen erheblichen Vorteil gegenüber Supraleitern.

Wenn flüssiges Helium in supraleitenden Geräten verwendet wird, ist der Betrieb von Kryoleitern aufgrund des höheren Siedepunkts und billiger Kältemittel – flüssiger Wasserstoff oder sogar flüssiger Stickstoff – gewährleistet. Dadurch wird die Herstellung und der Betrieb der Vorrichtung vereinfacht und verbilligt. Es müssen jedoch die technischen Schwierigkeiten berücksichtigt werden, die bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff auftreten und bei einem bestimmten Verhältnis der Komponenten ein explosionsfähiges Gemisch mit Luft bilden.

Als Kryoprozessoren werden Kupfer, Aluminium, Silber und Gold verwendet.

Quellenangaben: „Elektromaterialien“ Zhuravleva L. V.