Superkonduktor dan cryoconductors
Superkonduktor dan cryoconductors
Diketahui 27 logam murni dan lebih dari seribu paduan dan senyawa berbeda yang memungkinkan transisi ke keadaan superkonduktor. Ini termasuk logam murni, paduan, senyawa intermetalik, dan beberapa bahan dielektrik.
Superkonduktor
Saat suhu turun hambatan listrik spesifik logam menurun dan pada suhu yang sangat rendah (kriogenik), konduktivitas listrik logam mendekati nol mutlak.
Pada tahun 1911, saat mendinginkan cincin merkuri beku hingga suhu 4,2 K, ilmuwan Belanda G. Kamerling-Onnes menemukan bahwa hambatan listrik cincin tiba-tiba turun ke nilai yang sangat kecil sehingga tidak dapat diukur. Hilangnya hambatan listrik seperti itu, mis. munculnya konduktivitas tak terbatas dalam suatu material disebut superkonduktivitas.
Bahan dengan kemampuan untuk masuk ke keadaan superkonduktor ketika didinginkan ke tingkat suhu yang cukup rendah mulai disebut superkonduktor.Temperatur pendinginan kritis di mana terjadi transisi materi ke keadaan superkonduktor disebut temperatur transisi superkonduktor atau temperatur transisi kritis Tcr.
Transisi superkonduktor dapat dibalik. Ketika suhu naik ke Tc, material kembali ke keadaan normal (non-konduktor).
Karakteristik superkonduktor adalah bahwa sekali diinduksi dalam rangkaian superkonduktor, arus listrik akan bersirkulasi untuk waktu yang lama (bertahun-tahun) di sepanjang rangkaian ini tanpa pengurangan kekuatan yang berarti dan, terlebih lagi, tanpa pasokan energi tambahan dari luar. Seperti magnet permanen, sirkuit semacam itu tercipta di ruang sekitarnya Medan gaya.
Pada tahun 1933, fisikawan Jerman V. Meissner dan R. Oxenfeld menetapkan bahwa superkonduktor selama transisi ke keadaan superkonduktor menjadi diamagnetik yang ideal. Oleh karena itu, medan magnet luar tidak menembus benda superkonduktor. Jika transisi material ke keadaan superkonduktor terjadi dalam medan magnet, maka medan tersebut "didorong" keluar dari superkonduktor.
Superkonduktor yang diketahui memiliki temperatur transisi kritis yang sangat rendah Tc. Oleh karena itu, perangkat yang menggunakan superkonduktor harus beroperasi di bawah kondisi pendinginan helium cair (suhu pencairan helium pada tekanan normal sekitar 4,2 DA SE). Ini memperumit dan meningkatkan biaya pembuatan dan pengoperasian bahan superkonduktor.
Selain merkuri, superkonduktivitas melekat pada logam murni lainnya (unsur kimia) dan berbagai paduan dan senyawa kimia. Namun, pada kebanyakan logam seperti perak dan tembaga, suhu rendah yang dicapai saat ini menjadi superkonduktor jika kondisinya gagal.
Kemungkinan menggunakan fenomena superkonduktivitas ditentukan oleh nilai suhu transisi ke keadaan superkonduktor Tc dan kekuatan kritis medan magnet.
Bahan superkonduktor dibagi menjadi lunak dan keras. Superkonduktor lunak termasuk logam murni, kecuali niobium, vanadium, telurium. Kerugian utama superkonduktor lunak adalah rendahnya nilai kekuatan medan magnet kritis.
Dalam teknik kelistrikan, superkonduktor lunak tidak digunakan, karena keadaan superkonduktor di dalamnya sudah menghilang dalam medan magnet lemah pada kepadatan arus rendah.
Superkonduktor padat termasuk paduan dengan kisi kristal terdistorsi. Mereka mempertahankan superkonduktivitas bahkan pada kerapatan arus yang relatif tinggi dan medan magnet yang kuat.
Sifat superkonduktor padat ditemukan pada pertengahan abad ini, dan hingga saat ini masalah penelitian dan penerapannya merupakan salah satu masalah terpenting dalam sains dan teknologi modern.
Superkonduktor padat memiliki sejumlah fungsi:
-
pada pendinginan, transisi ke keadaan superkonduktor tidak terjadi secara tiba-tiba, seperti pada superkonduktor lunak dan untuk interval suhu tertentu;
-
beberapa superkonduktor padat tidak hanya memiliki nilai suhu transisi kritis Tc yang relatif tinggi, tetapi juga nilai induksi magnetik kritis Vkr yang relatif tinggi;
-
dalam perubahan induksi magnetik, keadaan peralihan antara superkonduktor dan normal dapat diamati;
-
memiliki kecenderungan untuk membuang energi ketika melewati arus bolak-balik melaluinya;
-
sifat adiktif superkonduktivitas dari metode produksi teknologi, kemurnian material, dan kesempurnaan struktur kristalnya.
Menurut sifat teknologi, superkonduktor padat dibagi menjadi beberapa tipe berikut:
-
relatif mudah dideformasi di antaranya kawat dan strip [niobium, paduan niobium-titanium (Nb-Ti), vanadium-gallium (V-Ga)];
-
sulit untuk berubah bentuk karena kerapuhan, dari mana produk diperoleh dengan metode metalurgi serbuk (bahan intermetalik seperti niobium stanide Nb3Sn).
Seringkali kabel superkonduktor ditutupi dengan selubung "penstabil" yang terbuat dari tembaga atau bahan konduktif lainnya listrik dan panas logam, yang memungkinkan untuk menghindari kerusakan bahan dasar superkonduktor dengan peningkatan suhu yang tidak disengaja.
Dalam beberapa kasus, kabel superkonduktor komposit digunakan, di mana sejumlah besar filamen tipis dari bahan superkonduktor dibungkus dalam selubung tembaga padat atau bahan non-konduktor lainnya.
Bahan film superkonduktor memiliki sifat khusus:
-
suhu transisi kritis Tcr dalam beberapa kasus secara signifikan melebihi bahan curah Tcr;
-
nilai besar dari arus pembatas melewati superkonduktor;
-
kisaran suhu yang lebih rendah dari transisi ke keadaan superkonduktor.
Superkonduktor digunakan saat membuat: mesin listrik dan transformator dengan massa dan dimensi kecil dengan faktor efisiensi tinggi; saluran kabel besar untuk transmisi daya jarak jauh; pandu gelombang dengan atenuasi rendah khususnya; menggerakkan perangkat daya dan memori; lensa magnetik mikroskop elektron; kumparan induktansi dengan kabel tercetak.
Berdasarkan superkonduktor film menciptakan sejumlah perangkat penyimpanan dan elemen otomasi dan teknologi komputasi.
Kumparan elektromagnetik dari superkonduktor memungkinkan untuk mendapatkan nilai kekuatan medan magnet semaksimal mungkin.
Cryoprobes
Beberapa logam dapat mencapai pada suhu rendah (kriogenik) nilai yang sangat kecil dari hambatan listrik spesifik p, yang ratusan dan ribuan kali lebih kecil dari hambatan listrik pada suhu normal. Bahan dengan sifat ini disebut cryoconductors (hiperkonduktor).
Secara fisik, fenomena cryoconductivity tidak sama dengan fenomena superkonduktivitas. Kepadatan arus dalam cryoconductors pada suhu operasi ribuan kali lebih tinggi daripada kerapatan arus di dalamnya pada suhu normal, yang menentukan penggunaannya dalam perangkat listrik arus tinggi yang tunduk pada persyaratan tinggi untuk keandalan dan keamanan ledakan.
Penerapan cryoconductors di mesin listrik, kabel, dll. memiliki keunggulan signifikan dibandingkan superkonduktor.
Jika helium cair digunakan dalam perangkat superkonduktor, operasi cryoconductor dipastikan karena titik didih yang lebih tinggi dan refrigeran yang murah - hidrogen cair atau bahkan nitrogen cair. Ini menyederhanakan dan mengurangi biaya pembuatan dan pengoperasian perangkat. Namun, perlu dipertimbangkan kesulitan teknis yang timbul saat menggunakan hidrogen cair, yang membentuk, pada rasio komponen tertentu, campuran eksplosif dengan udara.
Karena cryoprocessor menggunakan tembaga, aluminium, perak, emas.
Informasi Sumber: "Elektromaterial" Zhuravleva L. V.