Наиболее часто сплавы высокого сопротивления применяются для изготовления:
- резисторов;
- электронагревательных приборов (электроплиток, электрических чайников, паяльников и т.п.);
- термопар.
При этом желательно, чтобы эти материалы были дешевыми и по возможности не содержали дефицитных компонентов.
Сплавы для резисторов. От сплавов для резисторов, помимо высокого удельного сопротивления ρ, требуются высокая стабильность ρ во времени, малый температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ (малая зависимость ρ от температуры) и малый коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. Наиболее полно этим условиям удовлетворяют два сплава: манганин и константан.
Манганин. Широко применяемый для изготовления образцовых резисторов сплав. Примерный состав его: Сu —85 %, Мn —12 %, Ni — 3 %; название происходит от наличия в нем марганца (латинское manganum). Значение ρ манганина 0,42 - 0,48 мкОм∙м; ТКρ весьма мал, (5 - 30)∙10-6 К-1; коэффициент термо-ЭДС в паре с медью всего лишь 1 - 2 мкВ/К. Манганин может вытягиваться в тонкую (диаметром до 0,02 мм) проволоку; часто манганиновая проволока выпускается с эмалевой изоляцией. Для обеспечения малого значения ТКρ и стабильности ρ во времени манганиновая проволока подвергается специальной термообработке (отжиг в вакууме при температуре 550 - 600 °С с последующим медленным охлаждением; намотанные катушки иногда дополнительно отжигаются при 200 оС. Длительно допустимая рабочая температура сплавов манганина не более 200 °С; механические свойства: σр = 450 - 600 МПа, D l / l = 15 - 30 %. Плотность манганина 8 400 кг/м3.
Константан - сплав, содержащий около 60 % меди и 40 % никеля; этот состав отвечает минимуму ТКρ в системе Сu - Ni при довольно высоком значении ρ. Название «константан» объясняется значительным постоянством ρ при изменении температуры (ТКρ составляет минус (5 - 25)∙10-6 К-1 при ρ = 0.48 - 0,52 мкОм∙м). По механическим свойствам константан близок к манганину (σр = 400 - 500 МПа, D l / l = 20 - 40 %). Его плотность 8 900 кг/м3.
Нагревостойкость константана выше, чем манганина: константан можно применять для изготовления реостатов и электронагревательных элементов, длительно работающих при температуре 450 °С.
Существенным отличием константана от манганина является высокая термо-ЭДС в паре с медью: его коэффициент термо-ЭДС 45 - 55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах: при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают термоэлектродвижущие силы, которые могут явиться источником ошибок, особенно при мостовых и потенциометрических методах измерений.
Широкому применению константана препятствует также большое содержание в его составе дорогого и дефицитного никеля.
Сплавы для электронагревательных приборов. Основное требование, применяемое к таким материалам – высокая нагревостойкость, т.е. способность длительно работать при повышенных температурах не окисляясь кислородом воздуха. Для выполнения этого условия в них вводят достаточно большое количество металлов, имеющих высокое значение объемного коэффициента оксидации и образующих при нагреве на воздухе практически сплошную оксидную пленку. Такими металлами являются никель, хром и алюминий. Что касается железа, то оно имеет объемный коэффициент оксидации меньше единицы и потому при нагреве легко окисляется; чем больше содержание железа в сплаве, например, с Ni и Сr, тем менее нагревостоек этот сплав.
Сплавы системы Fe - Ni - Сr называются нихромами или (при повышенном содержании Fe) ферронихромами; сплавы системы Fe - Сr - Al называются фехралями и хромалями.
Помимо скорости окисления того или иного чистого металла или компонента сплава большое влияние на срок жизни нагревательного элемента, работающего на воздухе, оказывают свойства образующегося оксида. Если он летуч, то он удаляется с поверхности металла и не может защитить оставшийся металл от дальнейшего окисления. Так, оксиды вольфрама и молибдена легко улетучиваются, а потому эти металлы не могут работать в накаленном состоянии при доступе кислорода.
Стойкость хромо-никелевых сплавов при высокой температуре в воздушной среде объясняется близкими значениями температурных коэффициентов линейного расширения этих сплавов и их оксидных пленок. Поэтому растрескивание оксидных пленок имеет место только при резких сменах температуры; тогда при последующих нагревах кислород воздуха будет проникать в образовавшиеся трещины и производить дальнейшее окисление сплава. Поэтому при многократном кратковременном включении электронагревательного элемента из нихрома он может перегореть значительно скорее, чем при непрерывной работе элемента при той же температуре.
Срок жизни элементов из нихрома и других нагревостойких сплавов существенно укорачивается также при наличии колебаний сечения проволоки: в местах с уменьшенным сечением («шейки») нагревательные элементы перегреваются и легче перегорают.
Длительность работы электронагревательных элементов из нихрома и аналогичных сплавов может быть во много раз увеличена при исключении доступа кислорода к поверхности проволоки. В трубчатых нагревательных элементах спираль из сплава высокого сопротивления проходит по оси трубки из стойкого к окислению металла; промежуток между проволокой и трубкой заполняется порошком диэлектрика с высокой теплопроводностью (например, магнезией MgO). При дополнительной протяжке такой трубки ее внешний диаметр уменьшается, магнезия уплотняется и образует механически прочную изоляцию внутреннего проводника. Такие нагревательные элементы применяются, например, в электрических кипятильниках, где они могут работать весьма длительно без повреждений.
Нихромы весьма технологичны, их можно легко протягивать в сравнительно тонкую проволоку или ленту, они имеют высокую рабочую температуру. Однако, как и в константане, в этих сплавах велико содержание дорогого и дефицитного компонента - никеля.
Хромо-алюминиевые сплавы (фехраль, хромаль) намного дешевле нихромов, так как хром и алюминий сравнительно дешевы и легко доступны. Однако эти сплавы менее технологичны, более тверды и хрупки, из них могут быть получены проволоки и ленты лишь большего поперечного сечения, чем из нихромов. Поэтому эти сплавы в основном используются в электротермической технике для электронагревательных устройств большой мощности и промышленных электрических печей.
C плавы для термопар.
Для изготовления термопар применяются следующие сплавы: копель (56% Cu и 44% Ni), алюмель (95% Ni, остальное Al, Si и Mg), хромель (90% Ni и 10% Cr), платинородий (90% Pt и 10% Rh).
Термопары могут применяться для измерения следующих температур: платинородий - платина - до 1600 °С, хромель - копель - до 600 °С, хромель - алюмель - до 1100 °С.
Сверхпроводники
В 1911 г. голландский ученый Хейке Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление кольца из замороженной ртути охлажденного до температуры кипения гелия (4,2 K) внезапно падает практически до нуля. Это исчезновение электрического сопротивления, то есть появление бесконечной удельной проводимости материала, было названо сверхпроводимостью. Температура, при которой совершается переход вещества в сверхпроводящее состояние, называют температурой сверхпроводящего перехода Т с.
Явление сверхпроводимости можно объяснить уменьшением амплитуды тепловых колебаний узлов кристаллической решетки при снижении температуры. Вследствие этого уменьшается вероятность столкновения дрейфующих под действием электрического поля электронов с ионами решётки и величина сопротивления проводника уменьшается.
В 1933 г. немецкие физики В. Майснер и Р. Оксенфельд сделали новое фундаментальное открытие: они обнаружили, что сверхпроводники при переходе из нормального в сверхпроводящее состояние становятся идеальными диамагнетиками. Поэтому внешнее магнитное поле не может проникать в сверхпроводящее тело (рис. 6.7), что заставляет сверхпроводящее тело висеть над поверхностью магнита (эффект Майснера).
а) б)
Рис. 6.7 Эффект Майснера: а — охлаждаемый шар из сверхпроводника в нормальном состоянии, помещенный в равномерное магнитное поле В; б — при переходе материала шара из нормального состояния в сверхпроводящее магнитное поле выталкивается из шара
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 Вс (в первом приближении, по крайней мере верно для чистых сверхпроводниковых металлов, безразлично, создается ли индукция Вс током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля). Это поясняется диаграммой состояния сверхпроводника, изображенной на рис. 6.8. Каждому значению температуры Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс. Наибольшая возможная температура перехода Тс0 (критическая температура) 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 0PQ на рис. 6.8 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ — нормальному состоянию материала.
Рис. 6.8 Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника
Все известные в настоящий момент сверхпроводники можно условно разделить на следующие группы (см. рис. 6.9):
- низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) с температурой сверхпроводящего перехода Т с лежащей в области температур жидкого гелия (4,2 К) - NbTi, Nb3Sn;
- промежуточные сверхпроводники (MgB2, pniktides - совсем недавно открытые арсениды железа) Т с которых лежит в области температур жидкого водорода (20 К);
- высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) с Т с лежащей в области температур жидкого азота (77К) - Bi-2223, Bi-2212; ReBCO.
Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) бывают двух типов (см. рис. 6.10): ВТСП первого поколения (технология порошок в трубе) и ВТСП второго поколения (длинномерные пленки).
ВТСП первого поколения сравнительно просты в изготовлении и имеют достаточно высокие критические параметры Т с0 и В с0. Но в силу ряда технологических требований их матрица (заполнение, в котором размещается сверхпроводящий порошок) должна выполняться только из серебра или его сплавов, причём доля серебра в сечении составляет порядка 50-70%. Естественно, такой сверхпроводник нельзя сделать достаточно дешёвым, например, в сравнении с медью. Стоимость их в удельных единицах составляет примерно 100-150 долл. за 1 кА∙м. Поэтому их производство свёрнуто практически во всём мире в пользу ВТСП второго поколения, которые считаются более перспективными. Однако компания Сумитомо Электрик в Японии продолжает производить сверхпроводник первого поколения на основе висмутовой системы Bi-2223, который пока по многим параметрам, в том числе и по цене, превосходит современные ВТСП второго поколения.
В ВТСП второго поколения стоимость материала сравнительно невелика, но технология в настоящее время настолько сложна, что их цена пока в три-пять раз превышает стоимость ВТСП первого поколения. Разумеется, при увеличении масштабов производства стоимость таких проводников должна значительно снизиться и достичь уровня 10-20 долл. за 1 кА∙м, что сравнимо со стоимостью меди.
В настоящее время единственное коммерчески успешное применение низкотемпературной сверхпроводимости - производство медицинских магнитно-резонансных томографов - сканнеров (МРТ). Первые томографы были созданы в конце 70-х гг. прошлого века в компании Oxford Instrument. Стандартными полями в сверхпроводящих МРТ являются поля в 1-1.5 Тл, но уже широко начали производиться МРТ с полями в 3 Тл. Помимо стандартных томографов широкого профиля идут разработки специальных МРТ с высокими магнитными полями (до 11 Тл) для исследования процессов в человеческом мозге в реальном времени.
Так-же можно вспомнить про сверхпроводящие магниты для исследований в биологии методом магнитно-резонансной спектроскопии. В этом случае требуются постоянные, высокооднородные и стабильные магнитные поля порядка 20 Тл и выше. Компания Брукер (Германия) создала на основе низкотемпературных сверхпроводников рекордный сверхпроводящий магнит с полем в 23.3 Тл для ЯМР-спектрометра. Однако рынок таких устройств невелик.
Рис. 6.9 История открытия сверхпроводников и их условное разделение
Рис. 6.10 Современные высокотемпературные сверхпроводники: а) – первого поколения Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) или Bi2Sr2CaCu2Os (Bi-2212); T c ~ 90-110 К; I c = 80-200 A (4 x 0.4 мм2) при 77 К, B = 0 Тл; б) – второго поколения ReBCO - ReBa2Cu3Oy, где Re: (Y, Sm, Gd, Dy, Eu); T c = 92 K; I c = 80-200 A (4 x 0.1 мм2) при 77 К, B = 0 Тл. |
Наиболее впечатляющими достижениями крупномасштабного применения сверхпроводимости являются так называемые «мегапроекты». Чаще всего целью мегапроектов являлось создание мощных ускорителей элементарных частиц для физики высоких энергий и детекторов для них. Cамым крупным из них является Большой Адронный Коллайдер (БАК) в Европейском центре ядерных исследований. Для удержания, коррекции и фокусировки протонных пучков используются 1624 сверхпроводящих магнита, общая длина которых превышает 22 км. Магниты работают при температуре 1.9 K.
И, наконец, использование сверхпроводящих низкотемпературных магнитов позволит впервые осуществить управляемую термоядерную реакцию в устройстве типа Токамак, при этом потребляемая устройством энергия будет меньше получаемой в результате управляемого термоядерного синтеза. В мире уже было построено несколько токамаков с использованием сверхпроводящих магнитов: первый в мире сверхпроводящий токамак Т-7 в Курчатовском институте и там же токамак Т-15, французский токамак ТорСупра и другие. Они позволили отработать технологии сверхпроводящих катушек для токамаков и привели к организации крупнейшего международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, в котором Россия принимает активнейшее участие. В магнитной системе ИТЭР используется около 600 т сверхпроводника Nb3Sn и примерно столько же NbTi.
Следует, однако, отметить, что возможности низкотемпературных сверхпроводников для повышения магнитных полей исчерпаны полностью. Дальнейшее увеличение магнитного поля, получаемого с помощью сверхпроводимости, может быть достигнуто только за счёт высокотемпературных сверхпроводников охлажденных до температуры жидкого гелия.
Использование сверхпроводимости в электроэнергетике также является перспективным направлением. Прежде всего речь идет о ВТСП кабелях позволяющих в разы увеличить передаваемую мощность (плотность тока в обычных кабелях 1-2 А/мм2, в ВТСП кабелях она может составлять 50-100 А/мм2) и отказаться от преобразовательных подстанций (не надо повышать напряжение у генератора и понижать у потребителя).
Кроме того активно разрабатываются ВТСП устройства, ограничивающие токи короткого замыкания до допустимого уровня (сверхпроводящие ограничители токов).
Еще одним направлением являются НТСП накопители энергии, позволяющие сглаживать утренние и вечерние максимумы мощности.
На основе эффекта Майснера созданы несколько транспортных систем, использующую маг нитную лев итацию (маглев) для минимизации трения и достижения высоких скоростей. Максимальная скорость маглева была зафиксирована в Японии в 2003 и составила 581 км/ч. На начало 2017 года единственным в мире поездом на магнитной подушке, находящимся в коммерческой эксплуатации, является шанхайский маглев.