Supraconducteurs et cryoconducteurs

Supraconducteurs et cryoconducteurs

On connaît 27 métaux purs et plus d'un millier d'alliages et de composés différents dans lesquels une transition vers un état supraconducteur est possible. Ceux-ci incluent les métaux purs, les alliages, les composés intermétalliques et certains matériaux diélectriques.

Supraconducteurs

Quand la température baisse résistance électrique spécifique des métaux diminue et à des températures très basses (cryogéniques), la conductivité électrique des métaux se rapproche du zéro absolu.

En 1911, lors du refroidissement d'un anneau de mercure congelé à une température de 4,2 K, le scientifique néerlandais G. Kamerling-Onnes a découvert que la résistance électrique des anneaux tombait soudainement à une très petite valeur impossible à mesurer. Une telle disparition de la résistance électrique, c'est-à-dire l'apparition d'une conductivité infinie dans un matériau est appelée supraconductivité.

Les matériaux capables de passer dans un état supraconducteur lorsqu'ils sont refroidis à un niveau de température suffisamment bas ont commencé à être appelés supraconducteurs.La température de refroidissement critique à laquelle il y a une transition de la matière dans un état supraconducteur est appelée température de transition supraconductrice ou température de transition critique Tcr.

Une transition supraconductrice est réversible. Lorsque la température monte à Tc, le matériau revient à son état normal (non conducteur).

Une caractéristique des supraconducteurs est qu'une fois induit dans un circuit supraconducteur, le courant électrique circulera longtemps (des années) le long de ce circuit sans diminution notable de son intensité et, de surcroît, sans apport supplémentaire d'énergie de l'extérieur. Comme un aimant permanent, un tel circuit crée dans l'espace environnant champ magnétique.

En 1933, les physiciens allemands V. Meissner et R. Oxenfeld ont établi que les supraconducteurs lors de la transition vers l'état supraconducteur deviennent des diamagnets idéaux. Par conséquent, le champ magnétique externe ne pénètre pas dans un corps supraconducteur. Si la transition du matériau vers un état supraconducteur se produit dans un champ magnétique, alors le champ est "poussé" hors du supraconducteur.

Les supraconducteurs connus ont des températures de transition critiques Tc très basses. Par conséquent, les dispositifs dans lesquels ils utilisent des supraconducteurs doivent fonctionner dans des conditions de refroidissement à l'hélium liquide (la température de liquéfaction de l'hélium à pression normale est d'environ 4,2 DA SE). Cela complique et augmente le coût de fabrication et d'exploitation des matériaux supraconducteurs.

Outre le mercure, la supraconductivité est inhérente à d'autres métaux purs (éléments chimiques) et à divers alliages et composés chimiques. Cependant, pour la plupart des métaux tels que l'argent et le cuivre, les basses températures atteintes en ce moment deviennent supraconductrices si la condition échoue.

Les possibilités d'utilisation du phénomène de supraconductivité sont déterminées par les valeurs de la température de transition vers l'état supraconducteur de Tc et l'intensité critique du champ magnétique.

Matériaux supraconducteurs divisés en doux et durs. Les supraconducteurs mous comprennent les métaux purs, à l'exception du niobium, du vanadium et du tellure. Le principal inconvénient des supraconducteurs souples est la faible valeur de l'intensité critique du champ magnétique.

En génie électrique, les supraconducteurs mous ne sont pas utilisés, car leur état supraconducteur disparaît déjà dans les champs magnétiques faibles à de faibles densités de courant.

Les supraconducteurs solides comprennent des alliages avec des réseaux cristallins déformés. Ils conservent la supraconductivité même à des densités de courant relativement élevées et des champs magnétiques puissants.

Les propriétés des supraconducteurs solides ont été découvertes au milieu de ce siècle, et jusqu'à présent, le problème de leur recherche et de leur application est l'un des problèmes les plus importants de la science et de la technologie modernes.

Les supraconducteurs solides ont plusieurs fonctions :

• lors du refroidissement, le passage à l'état supraconducteur ne se produit pas brusquement, comme dans les supraconducteurs mous et pendant un certain intervalle de température ;

• certains des supraconducteurs solides ont non seulement des valeurs relativement élevées de température de transition critique Tc, mais également des valeurs relativement élevées d'induction magnétique critique Vkr ;

• dans les changements d'induction magnétique, des états intermédiaires entre supraconducteur et normal peuvent être observés;

• ont tendance à dissiper de l'énergie lorsqu'ils sont traversés par un courant alternatif ;

• propriétés addictives de la supraconductivité à partir des méthodes technologiques de production, de la pureté du matériau et de la perfection de sa structure cristalline.

Selon les propriétés technologiques, les supraconducteurs solides sont divisés en types suivants :

• relativement facilement déformable dont fils et feuillards [niobium, alliages niobium-titane (Nb-Ti), vanadium-gallium (V-Ga)] ;

• difficiles à déformer du fait de leur fragilité, dont les produits sont obtenus par des procédés de métallurgie des poudres (matériaux intermétalliques comme le stanide de niobium Nb3Sn).

Souvent des fils supraconducteurs recouverts d'une gaine "stabilisatrice" en cuivre ou autre matériau hautement conducteur électricité et la chaleur du métal, ce qui permet d'éviter d'endommager le matériau de base du supraconducteur avec une élévation accidentelle de température.

Dans certains cas, des fils supraconducteurs composites sont utilisés, dans lesquels un grand nombre de filaments minces de matériau supraconducteur sont enfermés dans une gaine solide de cuivre ou d'un autre matériau non conducteur.

Les matériaux de film supraconducteur ont des propriétés particulières :

• la température de transition critique Tcr dépasse dans certains cas de manière significative les matériaux en vrac Tcr ;

• grandes valeurs des courants limitants traversant le supraconducteur;

• moindre plage de température de la transition vers l'état supraconducteur.

Les supraconducteurs sont utilisés lors de la création : de machines électriques et de transformateurs de petite masse et de petites dimensions avec un facteur de rendement élevé ; grandes lignes de câble pour la transmission d'énergie sur de longues distances ; des guides d'ondes à faible atténuation en particulier ; entraîne les dispositifs d'alimentation et de mémoire ; lentilles magnétiques de microscopes électroniques; bobines d'inductance avec câblage imprimé.

Sur la base de films supraconducteurs, un certain nombre de dispositifs de stockage ont été créés et éléments d'automatisation et la technologie informatique.

Les bobines électromagnétiques des supraconducteurs permettent d'obtenir les valeurs maximales possibles de l'intensité du champ magnétique.

Cryosondes

Certains métaux peuvent atteindre à basse température (cryogénique) une très petite valeur de la résistance électrique spécifique p, qui est des centaines et des milliers de fois inférieure à la résistance électrique à température normale. Les matériaux dotés de ces propriétés sont appelés cryoconducteurs (hyperconducteurs).

Physiquement, le phénomène de cryoconductivité n'est pas similaire au phénomène de supraconductivité. La densité de courant dans les cryoconducteurs aux températures de fonctionnement est des milliers de fois supérieure à leur densité de courant à température normale, ce qui détermine leur utilisation dans les appareils électriques à courant élevé soumis à des exigences élevées en matière de fiabilité et de sécurité contre les explosions.

Application des cryoconducteurs dans les machines électriques, les câbles, etc. a un avantage significatif sur les supraconducteurs.

Si l'hélium liquide est utilisé dans les dispositifs supraconducteurs, le fonctionnement des cryoconducteurs est assuré en raison du point d'ébullition plus élevé et des réfrigérants bon marché - l'hydrogène liquide ou même l'azote liquide. Ceci simplifie et réduit le coût de fabrication et de fonctionnement du dispositif. Cependant, il est nécessaire de prendre en compte les difficultés techniques qui surviennent lors de l'utilisation d'hydrogène liquide, formant, à un certain rapport de composants, un mélange explosif avec l'air.

Comme cryoprocesseurs, on utilise du cuivre, de l'aluminium, de l'argent, de l'or.

Informations sur la source : "Electromaterials" Zhuravleva L. V.