Аса жоғары өткізгіштер, криоөткізгіштер және әртүрлі металлдар.
1. Аса жоғары өткізгіштер және криоөткізгіштер
2. Әртүрлі металлдар. Әртүрлі қорытпалар, дәнекергіштер, бейметалл өткізкіштер. Жоғарғы кедергілі қорытпалар. Түйіспелік материалдар. Олардың қасиеттері және қолданылуы.
Асқын өткізгіштер және криогенді өткізгіштер
Асқын өткізгіштер. Температураны төмендеткен кезде металл өткізгіштің меншікті кедергісі ρ азаяды, әсіресе бұл құбылыс төмен (абсолют нөлге, яғни 0 К–ге жақын) температура кезінде байқалады.
Мұндай құбылысты, яғни материалдың шексіз жоғары меншікті өткізгішті болуын – асқын өткізгіштік, салқындатқан кезде материалдың асқын өткізгіштік күйге өтетін температурасын T_с – асқын өткізгіштікке өту температурасы, ал асқын өткізгіш күйге өтетін материалды асқын өткізгіш деп атайды.
Қазіргі уақытта 35 – тен аса асқын өткізгіш металдар және мыңнан аса асқын өткізгіш қорытпалар анықталған, сонымен бірге алтын, күміс, плавтина, мыс сияқты металдардың асқын өткізгіш күйге өтпейтіндігі белгілі болып отыр.
Асқын өткізгіш (температура T_с – тен асқан жағдаймен бірге) асқын өткізгішке әсер етуші магнит өрісінің магниттік индукциясы сындық деп аталатын асып кеткен жағдайда бұзылады. Бұл жағдайда 11.1 – суретте көрсетілген күй диаграммасына сындық индукция B_с – тың мәні сәйкес келеді.
Сурет 11.1 — Бірінші текті асқын өткізгіштің күй диаграммасы
Асқын өткізгіштікке өту температурасы T_с0 – тыңмен үлкен мәніне ең аз мәнді магниттік индукция сәйкес келеді, ал ең үлкен сындық магниттік индукциясына (B_с0) нөлге жақын температура сәйкес келеді.
Егер де зат күй диаграммадағы X нүктеге сәйкес температура және индукциямен жұмыс істеп тұрса, онда асқын өткізгіштік қызулықпен (PQ қиысқан Y нүктеден өту), магнит индукциясының, өскенімен (PQ қиысқан Y нүктеден өту), немесе бір уақытта өту T және B өзгеруімен ((PQ қисықтық қандай болса да қиып өтеді).
1933 жылы неміс физиктері В. Майснер және Р. Оксефелоф күрделі жаңалық ашқан: асқын өткізгіштер әдеттік күйден асқын күйге өткенде өте оңды диамагнеттік болып қалады, яғни олардың салыстырмалы магниттік өтімдіктері шекті міндетінен (асқын өткізгіштің 1 жақын) секіріп (μ_r=0) құлайды. Сондықтан сыртқы магнит өріс асқын өткізгіш денеге өте майда, ал егер де бұл дененің асқын өткізгіш күйге өтуі магнит өрісінің ішінде өтсе, онда магнит өріс сыртқа «итеріліп шығады».
Біздің ғасырда 50 жылдары (таза металдар емес) қорытпа немесе химиялық қосындылар түріндегі жаңа асқын өткізгіштер деп аталатын асқын өткізгіштердің бірқатар ерекшеліктері бар. Салқындатқан кезде олар әдеттегі күйінен асқын өткізгіш күйге секіріп біртіндеп өтеді; олардың төменгі B_с1 және жоғарғы B_с2 сындық индукциялары мәндерінің арасында аралық күйлері болады (T<T_с0 температура мәндері үшін). Аралық күйде асқын өткізгіштік тұрақты кернеу кезінде сақталады, яғни ρ=0, бірақ салыстырмалы магниттік өтімділік μ_r>0 (11.2 – сурет)
Сурет 11.2 — Екінші текті өткізгіштің (Nb_3 Sn) күй диаграммасы (1 және 2 – қисық) және біртекті бірінші текті асқын (Pb) күй диаграммасы (3 – қисық)
Асқын өткізгіш электр магниттер қазіргі уақытта өте көп болып шығарылады және олар әртүрлі мақсатпен қолданылады. Асқын өткізгіштерді мына салаларда қолдануға болады: салмағы және сыртқы қабілеті аз электр машиналарды және трансформаторларды, үлкен қуатты ұзын электр жеткізу желілерді, асқын жылдамдығы бар темір жол тасымалдаудың магнит ілмекшелері бар вагондарды құрауға.
Криогендік өткізгіштер. Қазіргі уақытта электротехникада асқын өткізгіштік құрылыстан басқа криогендік өткізгіштік кең пайдаланылады, яғни металдардың меншікті кедергілерін өте аз мәніне криогенді температура кезде (бірақ асқын өткізгіш күйге өткізбей) жеткізу. Мұндай қасиеттері бар металдар криогендік өткізгіштер деп аталады.
Криогендік өткізгіштің физикалық мәні асқын өткізгіштік құбылыстың физикалық мәніне ұқсас емес. Криогенді өткізгіштік криогенді температуралар кезде металдардың жеке оқиғадағы электр өткізгіштігі. Криогендік өткізгіштердің өте кіші бірақ та шекті меншікті кедергілері ρ секірмей байсалды өзгереді және асқын өткізгіштік құбылысы болғандағы күшті әсерлер байқалмайды.
Электр машиналарда, аппараттарда және басқа электротехникалық құрылғыларда криогендік өткізгіштерді қолданудың артықшылықтары болады. Салқындатқыш ретінде сұйық сутегі немесе сұйық азотты пайдалану (сұйық гелий олардан едәуір қымбат) құрылғының жылдық оқшауламасын орындауын жеңілдетеді және арзандатады, сонымен бірге салқындатуға кететін энергия шығындарын төмендетеді. Бұдан басқа, үлкен тогы баро асқын өткізгіштік контурда LI^2/2 (L – индуктивтік, Гн; I – ток, А) тең үлкен мөлшерлі энергия жиналады. Криогенді тізбекке мұнда қауіп жоқ, себебі температураның өсуі кедергіні тек байсалды баптап өсіреді. 10.7 – суретте меншікті кедергінің температурадан тәуелділіктері екі маңызды металдар Мыс және алюминий – көрсетілген.
Сурет 11.3 – Меншікті кедергінің температурадан тәуелділіктері
Вольфрам — өте ауыр, қатты, түсі қоңыр металл. Вольфрамның жеке кристалдарының арасындағы байланысы шамалы, сондықтан салыстырмалы алғанда қалың вольфрам бұйымдары осал болады да жеңіл сынады. Соғып созу жолымен механикалық өңдеу кезінде вольфрам талшықты құрылымға ие болады: сол ерекшелік вольфрам жіптерінің иілгіштігін түсіндіреді. Вольфрам сымдарының сипаттамалары: σ_с=3000 -4000 Мпа, ∆l/l=4 %. Балқуы қиын және механикалық беріктігі жоғары болғандықтан вольфрам жоғары температура кезінде (2000 ℃ және одан жоғары) жұмыс істей алады. Бірақ, ол үшін вольфрам дене терең вакуум немесе инертті газдың (азот, аргон және т.б.) ішінде орналасуы қажет, өйткені бірнеше жүз ℃ кезінде оттегінің қатысуында вольфрам күшті тотығады.
Вольфрамның және молибденнің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділіктері 11.4 – суретте көрсетілген.
Вольфрам электровакуумдық техникада қолданылатын ең маңызды металл болып табылады. Одан электр шамдарының қыздыру қыл сымдарын, электрлік түйіспелерді жасайды. Вольфрам түйіспелердің артықшылықтары: жұмыстағы орнықтылығы, қаттылығының жоғары болуы себепті, механикалық тозуының төмендігі, доғаның әрекетіне қарсы тұра алу қасиеті, қиын балқуы себепті бірігіп қалмауы жатады. Кемшіліктеріне: өңдеу қиындығы, атмосфералық жағдайда оксидті жұқа қабықпен жабылуы жатады.
Сурет 11.4 — Вольфрам мен молибденнің меншікті кедергілерінің температураға тәуелділіктері
Молибден – электровакуумдық техникада вольфрамның жұмыстық температурасына қарағанда төмендеу температура кезінде қолданылады.
Молибденнің механикалық беріктігі оны механикалық өңдеу тәсіліне, бұйымның түріне, оқтаманың немесе сымның диаметріне және жылулық өңдеуге тәуелді болады.
Молибденнің механикалық беріктігі оны механикалық өңдеу тәсіліне, бұйымның түріне, оқтаманың немесе сымның диаметріне және жылулық өңдеуге тәуелді болады.
Молибденнің сипаттамалары: σ_с=350 -2500 Мпа, ∆l/l=2—55 %, ал тығыздығы вольфрамның тығыздығынан екі есе аз. Ең кең қолданылатын молибденнің маркалары МТ (таза молибден) және МК (кремнийлік молибден). Молибденнен көбінесе электрлік түйіспелер жасалады.
Күміс – ақ, жылтырауы қалыпты температурада тотығуға төзімді металл. Басқа металдарға қарағанда күміс меншікті кедергісі ρ ең төмені; σ_с=200 Мпа, ∆l/l=50 %. Күмісті шамалы тоқтарға арналған түйіспелерді жасауға қолданылады.
Платина – оттегімен қосылмайтын, қышқылдардың ерекше түйіспелерін және химиялық әрекеттесулерге өте төзімді металл. Платина механикалық өңдеуге жеңіл көнеді, өте жіңшке қыл сымдарға және таспаға созылады; σ_с=150 Мпа, ∆l/l=30 —35 %. Платинаны 1600 ℃-ге дейінгі жоғары температураны өлшеуге арналған термопараларды жасауға жұмсайды. Электр өлшеуіш және басқа сезгіштегі жоғары аспаптардың жылжымалы жүйелерін іліп қою үшін платинадан арнайы жіңішке қыл сымдар жасалынады (диаметрі 1 мкм шамасында).
Никель – электровакуумдық техникада көп қолданылатын күмісті ақ металл. Никельдің (тазалығына қарай) бірнеше маркалары таспа, тілкем, жалпақ тілгі, тетік, оқтама және сым түрлерінде шығарылады. Никель артық қасиеттеріне жеткілікті механикалық беріктігі σ_с=400 -600 Мпа, ∆l/l=30—50 % жатады.
Никель механикалық өңдеуге (созуға, штамптауға, қысуға және т.б.) жеңіл көнеді, сол себептен одан көлемі әртүрлі, кескін үйлесімді күрделі бұйымдарды жасауға болады. Никель тотығуға төзімді келеді, сондықтан оны бірқатар магниттік және өткізгіштік қорытпалардың қоспалары ретінде қолданады.
Қорғасын – көкшілдеу сұр түсті металл; жұмсақ созылымдылығы жоғары, беріктігі төмен металл: σ_с=15 Мпа, ∆l/l=50 %, ρ=0,210 мкОм∙м. Қорғасынның артылықшылықтарына тотығуға төзімділігі, судың, кейбір қышқылдардың әсерлеріне тұрақтылығы жатады. Қорғасынды кабельдердің оқшауламаларына ылғалдану әсерлеріне қорғайтын қабықтары және балқыма сақтандырғыштардың, қорғасын аккумляторлардың табақтарын жасауға қолданылады. Қорғасын рентген сәулелерін күшті сіңіретін материал ретінде радияциядан қорғану үшін де қолданылады. Қорғасын және оның қосындылары өте улы.
Қалайы – кристалдық құрылысы анық көрінетін күміс ақ түсті металл: жұмсақ, созылғыш металл, сол себептен тартып жаю арқылы жұқа фольуа алуға мүмкіндік береді: σ_с=16-38 Мпа. Қалыпты температура кезінде қалайы ауада тотықпайды су оған әсер етпейді.
Сынап — қалыпты температура кезінде сұйық күйінде болатын жалғыз металл. Сынап жеңіл буланады және бөлмелік температура кезінде будың едәуір қысымы болады. Инертті және дағдылы газдарға қарағанда сынап буланудың иондану потенциалы төмен, ал бұл жағдай газ разрядтық аспаптарда сынапты кеңінен қолдануға мүмкіндік береді.
Сілтілік металдар: магний, алюминий, қалайы, қорғасын, платина, алтын, күміс, сынап ішінде ерігенде амальгама түзеді. Сондықтан ішінде сынабы бар аспаптардың сынапта ерімейтін вольфрамнан, терийден немесе танталдан жасалған арматурасы болуы керек. Сынап сұйық катод ретінде түзеткіштерде, күндізгі жарық шамдарында, сынап шамдарында қолданылады. Сынап және оның қосындылары өте улы; сынаптың булары өте зиянды.
Манганин – үлгілік дәлдігі жоғары кедергі резисторларды дайындауға кеңінен қолданылатын қорытпа. Оның құрамы Параметрлері: ρ=0,42-0,78 мкОм∙м, α_ρ=(5-30)∙10^(-6) K^(-1), Ψ=1-2 мкВ/K. Манганиннен өте жіңішке (диаметрі 0,02) сымдар жасауға болады. Меншікті температуралық коэффициентінің α_ρ аз мәнін алу үшін және уақыт бойынша меншікті кедергісінің тұрақты болуы үшін манганин сымды арнайы жылулық өңдеуден өткізеді (температурасы 600 °С кезіндегі вакуумда күйдіреді, содан кейін жайлап салқындатады.) Рұқсат етілетін жұмыстың температурасы 200 °С. Механикалық қасиеттері: σ_с=400 -500 Мпа, ∆l/l=20—25 %, тығыздығы — 8,9 Мг/м^3.