3.9. Перспективы применения сверхпроводников

Сверхпроводящие магниты. С помощью обычного электромагнита, представляющего собой катушку из медного провода, размещенную на железном сердечнике, можно создавать поля до 2Тл, причем медные провода выдерживают плотность тока до 400А/см². Сверхпроводники позволяют отказаться от железного сердечника за счет увеличения плотности тока до 100000А/см². Такие плотности тока позволяют получать сплавы из ниобия-3 и олова и ниобия с титаном при температуре жидкого гелия (4К). Объемные образцы иттрий – барий – оксид меди выдерживают плотность тока до 4000А/см² при температуре жидкого азота (77К) в поле 1Тл. В отсутствие магнитного поля плотность тока может достигать 17000А/см².

Генераторы и линии электропередач. Сверхпроводящие магниты могут повысить КПД генераторов большой мощности до 99.5%, хотя у обычных генераторов он уже достигает 98.6%. Ежегодная экономия топлива составит 1%. Экономически рентабельными сверхпроводниковые линии электропередач могут стать только при передаче по ним большого количества энергии.

Аккумулирование электроэнергии. Сверхпроводящие накопители энергии с охлаждением жидким азотом обошлись бы на 3% дешевле, чем обычные, а общие капитальные затраты уменьшаются еще на 5%

Поезда на магнитной подушке - наиболее перспективное применеие сверхпроводников для скоростных поездов. Стоимость сооружения пути длиной 500км обойдется в 1.5 - 4.5 млрд долл. Стоимость самих поездов составит не более 10% от общей суммы затрат, а система охлаждения всего 1%.

Сверхнизкие температуры до 10^-6К достигнуты в магнитных холодильниках при использовании магнитоэлектрического эффекта. Такие системы важны для космических и оборонных программ.

Компьютеры и сверхпроводники. В будущем может быть создан суперкомпьютер на ВТСП с быстродействием в 1000 раз больше, чем у компьютеров, проектируемых в настоящее время. Время переключения на переходах Джозефсона (два сверхпроводника, разделенных тонким слоем диэлектрика) составит не более 10^-13с для Т_кр=10К и 10^-14с для материала с Т_кр=100К.

СКВИДы (сверхпроводящий квантовый итерференционный детектор). С помощью СКВИДа можно измерять падение напряжения до 10^-18В, токи 10^-18А (несколько электронов в секунду) и магнитные поля меньшие 10^-14Тл. Аналогов подобной чувствительности нет. Новые сверхпроводники позволяют регулировать частоты до 10¹²Гц (близко к квантовому пределу). Чувствительность обычных приборов не превышает 10¹⁰Гц. Применение СКВИДов - магнитоэнцефалография, элементы памяти. СКВИДы используются физиками для исследования кварков, магнитных монополей, гравитонов, геологами для поисков нефти, воды, минералов, разрабатываются детекторы для обнаружения подводных лодок.

Это материалы, удельное сопротивление которых достигает малых значений при криогенных температурах (ниже -173^оС). Сверхпроводящее состояние в этих материалах не наблюдается. Наиболее широко в качестве криопроводников применяется чистая медь и алюминий (марки А999 с 0.001% примесей), берилий (0.1% примесей). При температуре жидкого гелия у алюминия А999 удельное электрическое сопротивление равно (1 - 2)^.10^-6мкОм^.м. Применяются криопроводники в основном для изготовления жил кабелей, проводов, работающих при температурах жидкого водорода (-252.6^оС), неона (-245.7^оС) и азота (-195.6^оС).

4. Варианты заданий

Вариант задания студент получает из табл. 4.1 от преподавателя

Таблица 4.1. Варианты заданий

№	Наименование материала	№	Наименование материала
1	Железо	16	Тантал
2	Проводниковая сталь	17	Титан
3	Чугун	18	Ниобий
4	Медь	19	Цирконий
5	Алюминий	20	Ртуть
6	Серебро	21	Галлий
7	Золото	22	Индий
8	Платина	23	Олово
9	Бронзы	24	Кадмий
10	Латуни	25	Свинец
11	Палладий	26	Цинк
12	Плёночные резистивные материалы	27	Материалы для слаботочных контактов
13	Проводниковые резистивные сплавы	28	Материалы для сильноточных контактов
14	Вольфрам	29	Материалы для скользящих контактов
15	Молибден	30	Материалы для замыкающих контактов

5. Контрольные вопросы

5.1. Приведите классификацию проводниковых материалов.

5.2. Перечислите основные механические свойства проводников.

5.3. Какие физико–химические свойства проводников Вы знаете?

5.4. Какие проводники относятся к материалам высокой проводимости?

5.5. Бронзы. Приведите основные свойства.

5.6. Основные свойства латуней.

5.7. Какие алюминиевые сплавы Вы знаете? Приведите их основные свойства.

5.8. Проводниковые резистивные материалы. Опишите их свойства и область применения.

5.9. Плёночные резистивные материалы. Опишите их свойства и область применения.

5.10. Благородные металлы. Опишите их свойства и область применения.

5.11. Тугоплавкие металлы. Опишите их свойства и область применения.

5.12. Сверхпроводники. Явление сверхпроводимости. Криопроводники.

5.13. Эффект Мейснера. В чём он заключается?

5.14. Термо–ЭДС? Объясните возникновение данного явления.

5.15.Что вы знаете о применении сверхпроводников и об их перспективах?

Библиографический список

1. Чередниченко, В.С. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст] / В.С. Чередниченко. – М.: Наука, 2006. – 752 с.

2. Богородицкий, Н.П., Пасынков, В.В., Тареев, Б.М. Электротехнические материалы [Текст] / Н.П.Богородицкий, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.

3. Арзамасов, Б.Н., Макарова, В.И., Мухин, Г.Г. и др. Материаловедение [Текст] / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г.Мухин. – М.: МГТУ имени Н.Э.Баумана. – 2002. – 648 с.

4. Солнцев, Ю.П., Пряхин, Е.И. Материаловедение [Текст] / Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин. Санкт-Петербург: Химиздат, 2004. – 736 с.

5. Бородулин, В. Н. Электротехнические и конструкционные материалы [Текст]/ А. C. Воробьёв, И. П. Крючков, В. М. Матюнин, – М. : Мастерство: Высшая школа, 2000. – 280 c.

6. Корицкий, Ю.В. Электротехнические материалы [Текст]/ Ю.В. Корицкий – М. : «Энергия», 1976. – 320 с.

7. Журавлёва, Л. В. Электроматериаловедение [Текст]/ Л.В. Журавлёва – М. : «Академия», 2000. – 312 с.

Александр Николаевич Шпиганович

Кирилл Дмитриевич Захаров

Исследование свойств проводниковых материалов

Методические указания к лабораторной работе №2 по дисциплине

"Материаловедение. Технология конструкционных материалов"

Издаётся в авторской редакции

Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Бумага офсетная.

Ризография. Печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ №

Липецкий государственный технический университет