超伝導体と極低温伝導体

超伝導体と極低温伝導体

超伝導状態への転移が可能な、27 種類の純金属と 1,000 種類以上の異なる合金および化合物が知られています。これらには、純粋な金属、合金、金属間化合物、および一部の誘電体材料が含まれます。

超電導体

気温が下がると 金属の比電気抵抗 が減少し、非常に低い（極低温）温度では、金属の電気伝導率は絶対ゼロに近づきます。

1911 年、オランダの科学者 G. カメルリングオンネスは、冷凍水銀のリングを 4.2 K の温度まで冷却したとき、リングの電気抵抗が測定不可能な非常に小さな値まで突然低下することを発見しました。このような電気抵抗の消失、つまり物質内に無限の導電性が現れることを超電導といいます。

十分に低い温度レベルまで冷却されると超伝導状態になる能力を持つ材料は、超伝導体と呼ばれるようになりました。物質が超伝導状態に転移する臨界冷却温度は、超伝導転移温度または臨界転移温度 Tcr と呼ばれます。

超伝導転移は可逆的です。温度が Tc まで上昇すると、材料は通常の (非導電性) 状態に戻ります。

超電導体の特性は、一度超電導回路内に電流が誘起されると、電流がその強度を大幅に低下させることなく、さらに外部から追加のエネルギーを供給することなく、この回路に沿って長期間（何年も）循環し続けることです。このような回路は永久磁石のように周囲の空間に生成されます。 磁場.

1933 年、ドイツの物理学者 V. マイスナーと R. オクセンフェルトは、超伝導状態への移行中の超伝導体は理想的な反磁性体になることを確立しました。したがって、外部磁場は超電導体を貫通しません。材料の超電導状態への遷移が磁場中で発生すると、磁場は超電導体から「押し出される」ことになります。

既知の超伝導体は、臨界転移温度 Tc が非常に低い。したがって、超電導体を使用するデバイスは、液体ヘリウム冷却条件下で動作する必要があります（常圧でのヘリウムの液化温度は約 4.2 DA SE）。これにより、超電導材料の製造と運用のコストが複雑になり、コストが増加します。

水銀以外にも、他の純粋な金属（化学元素）やさまざまな合金、化合物には超伝導性が備わっています。しかし、銀や銅などのほとんどの金属は、条件が崩れるとその時点で到達した低温が超電導になってしまいます。

超電導現象を利用できるかどうかは、Tcの超電導状態への転移温度と臨界磁場の強さの値によって決まります。

超電導材料は軟質と硬質に分けられます。軟超伝導体には、ニオブ、バナジウム、テルルを除く純粋な金属が含まれます。軟超伝導体の主な欠点は、臨界磁場強度の値が低いことです。

電気工学では、軟超電導体は使用されません。これは、低電流密度の弱い磁場では超電導状態がすでに消失しているためです。

固体超電導体には、結晶格子が歪んだ合金が含まれます。これらは、比較的高い電流密度および強い磁場でも超伝導性を維持します。

固体超伝導体の特性は今世紀半ばに発見され、現在に至るまでその研究と応用の問題は現代科学技術の最も重要な問題の一つとなっています。

固体超伝導体には多くの機能があります。

• 冷却すると、軟超伝導体の場合のように、一定の温度間隔で超伝導状態への転移が突然起こることはありません。

• 固体超電導体の中には、比較的高い値の臨界転移温度 Tc だけでなく、比較的高い値の臨界磁気誘導 Vkr も持つものもあります。

• 磁気誘導の変化では、超伝導と常伝導の間の中間状態が観察されます。

• 交流電流を流すとエネルギーを散逸する傾向があります。

• 技術的な製造方法、材料の純度、結晶構造の完璧さから生じる超伝導の中毒性。

技術的特性に応じて、固体超電導体は次のタイプに分類されます。

• 比較的容易に変形可能なワイヤおよびストリップ [ニオブ、ニオブチタン合金 (Nb-Ti)、バナジウムガリウム (V-Ga)]。

• 脆いため変形しにくく、粉末冶金法で製品が得られます（チタン化ニオブNb3Snなどの金属間化合物）。

多くの場合、超電導線は銅またはその他の高導電性材料で作られた「安定化」シースで覆われています。 電気 金属の熱により、偶発的な温度上昇による超電導体の母材の損傷を避けることができます。

場合によっては、超電導材料の多数の細いフィラメントが銅または他の非電導材料の固体シースに封入された複合超電導ワイヤが使用される。

超電導膜材料には次のような特別な特性があります。

• 臨界転移温度 Tcr は、バルク材料の Tcr を大幅に超える場合があります。

• 超電導体を通過する限界電流の値が大きい。

• 超電導状態への転移温度範囲が狭くなります。

超電導体は、質量と寸法が小さく、高効率係数を備えた電気機械や変圧器を作成するときに使用されます。長距離にわたる電力伝送のための大きなケーブル線。特に低減衰導波路。電源およびメモリデバイスを駆動します。電子顕微鏡の磁気レンズ。プリント配線を備えたインダクタンスコイル。

フィルム超電導体に基づいて、多くの記憶装置が作成され、 自動化要素 そしてコンピューティング技術。

超伝導体からの電磁コイルにより、磁場強度の最大値を得ることが可能になります。

凍結プローブ

一部の金属は、低温 (極低温) で比電気抵抗 p が非常に小さい値に達することがあります。これは、常温での電気抵抗の数百分の 1、数千分の 1 です。このような特性を持つ材料は極低温伝導体（超伝導体）と呼ばれます。

物理的には、極低温伝導現象は超伝導現象と似ていません。動作温度における極低温伝導体の電流密度は、常温における極低温伝導体の電流密度よりも数千倍高く、これにより、信頼性と爆発安全性について高い要件が求められる大電流電気機器での極低温伝導体の使用が決まります。

電気機械、ケーブルなどにおける極低温伝導体の応用超電導体に比べて大きな利点があります。

超電導デバイスで液体ヘリウムが使用される場合、沸点が高く、液体水素や液体窒素などの安価な冷媒によって極低温伝導体の動作が保証されます。これにより、デバイスの製造と運用のコストが簡素化され、削減されます。ただし、液体水素を使用すると、特定の成分比で空気と爆発性混合物が形成されるため、技術的な困難が生じることを考慮する必要があります。

クライオプロセッサーには銅、アルミニウム、銀、金が使用されます。

出典情報:「電気材料」Zhuravleva L. V.