Всего на сайте:
303 тыс. 117 статей

Главная | Химия

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых.. Биметалл  Просмотрен 53

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болван­кой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечи­вает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холод­ном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Биметалл имеет механические и электрические свойства, проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ного проводника того же сечения: прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии (из тех же соображений применяется и рас­положение стали внутри конструкции в сталеалюминиевых проводах).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

 

СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ

Сверхпроводники. При понижении темпе­ратуры удельное сопротивление r металлических проводников уменьшается. Исключительный интерес представляет вопрос об электропроводности металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература , при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, харак­терного для данного сверхпроводникового материала).

Такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода .

Рис. 1.

Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

 

Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис.1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс. Наибольшая возможная температура перехода Тс0 (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита —при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение Вс0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть OPQ на рис. 1 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ — нормальному состоя­нию материала. Если материал работает при температуре и магнит­ной индукции, соответствующих точке X на диаграмме состояния, то сверхпроводимость мо­жет быть нарушена нагре­вом (переход через кривую PQ в точке Y), повышением магнитной индукции (пере­ход через кривую PQ в точке Z), а также в общем случае и одновременным изменением как Т, так и В, что переводит материал в нормальное состояние (кривая PQ пересекается в любой ее точке).

Рис. 2. Диаграммы состояния элементарных сверхпроводников первого рода для наиболее известных элементов

Рис. 3. Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником

 

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнару­жили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнит­ная проницаемость m скачком падает от m = 1 до m = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис.

3.).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тс . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном дав­лении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым ме­таллам (химическим элементам) и различным сплавам и химичес­ким соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, пере­вести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые.

К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исклю­чением ниобия, ванадия, теллура.

Основным недостатком мягких сверхпроводников является низ­кое значение критической индукции магнитного поля Вс0. Сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плот­ностях тока.

К твердым сверхпроводникам отно­сят сплавы с искаженными кристалличес­кими решетками. Они сохраняют сверх­проводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных маг­нитных полях. Свойства твердых сверх­проводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и приме­нения является одной из важнейших про­блем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние проис­ходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только срав­нительно высокие значения критической температуры перехода Тс, но и относительно высокие значения критической магнитной ин­дукции Вс0;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться проме­жуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кри­сталлической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

1) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготав­ливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

2) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметал­лические материалы типа станнида ниобия Nb,Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизиру­ющей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего элек­трический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случай­ном повышении температуры. В ряде случаев применяют компо­зитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную обо­лочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Сверхпроводники используют при создании: электрических ма­шин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэф­фициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энер­гии большой мощности на большие расстояния; волноводов с осо­бо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивнос­ти с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпро­водников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в табл. 3.9.

 

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость.), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающее таким свойством, называются криопроводниками.

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной тем­пературе, что определяет их использование в сильноточных элект­ротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие тре­бования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверх­проводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упро­щает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Одна­ко необходимо учитывать технические трудности, которые возника­ют при использовании жидкого водорода, образующего при опреде­ленном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, се­ребро, золото.

 

 

Предыдущая статья:Применение железа Следующая статья:МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
page speed (0.0122 sec, direct)