vodljivi materijali neke primjene i supravodljivost n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST PowerPoint Presentation
Download Presentation
VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 44

VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST - PowerPoint PPT Presentation


  • 535 Views
  • Uploaded on

VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST. MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE. Termoelement.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST' - zacharee


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
materijali za termoelemente
MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE

Termoelement

Termoelementi su dvije različite kovine ili slitine vodljivo spojene na jednom kraju. Zagrijavanjem spojenog mjesta nastaje temperaturna razlika u odnosu na slobodne krajeve. Između slobodnih krajeva javlja se napon ovisan o vrsti upotrebljenog materijala i o razlici temperatura  = - 0. Napon je gotovo razmjeran (linearna karakteristika) razlici temperatura. Nelinearnost se javlja uslijed nečistoća.

materijali za termoelemente1
MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE

Kombinacije materijala za izradu pogonskih termoelemenata

Općenito se za izradu termoelemenata koriste slijedeći materijali:

- bakar - željezo

- konstantan - kopel (56% Cu, 44% Ni)

- kromel (90% Ni, 10% Cr) - alumel (95% Ni, 5% Al, Si i Mg)

- nikal - kromnikal

- platina - platinarodij (90% Pt, 10% Rh)

- volfram - volfram - molibden

- zlato

materijali za termoelemente2
MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE

Kombinacije materijala za izradu laboratorijskih termoelemenata

Najveću TEMS (terom-elektromotornu silu) daje kombinacija kromel-kopel (za razliku temperatura 100C TEMS je oko 8 mV). Ako se pri mjerenju temperature instrument nalazi podalje od mjesta mjerenja potrebno je koristiti vodove za izjednačenje koji se često izrađuju od istog materijala kao i termoelementi. Takvi vodovi su izolirani gumom ili azbestom.

Termoelementi se najčešće koriste pri mjerenju temperatura (pirometri), za mjerenje VF struja i u automatici.

materijali za termobimetale

Termobimetali se sastoje od dvije cijelom duljinom čvrsto spojene kovine ili slitine sa što većom razlikom temperaturnog koeficijenta rastezanja. A je ukupni otklon, L je slobodna duljina bimetala, s je debljina bimetala. Ukupni otklon se može iskazati relacijom:

MATERIJALI ZA TERMOBIMETALE

Ukupni otklon ovisi i o specifičnom otklonu bimetala a. Definiran je kao otklon iskazan u mm na slobodnom kraju jednostrano upetog bimetala slobodne duljine 100 mm i debljine 1 mm, pri promjeni temperature za 1 C. Gornji izraz vrijedi ako je širina bimetalne trake manja od desetine slobodne duljine i za manje ukupne otklone.

Termobimetal

Najčešće se otklon određuje eksperimentalnoe. Izrađuju se kao vrpce širine 2 - 300 mm, debljine 0,1 - 2 mm. Obično je označena strana koja se više rasteže. Koriste se za mjerenje temperature i njenu regulaciju u opsegu od -30 do +400 C, u automatskim osiguračima kao nadstrujna zaštita, kod startera za fluorescentnu rasvjetu, itd. Traži im se što veća čvrstoća i elastičnost. Razlika električnih potencijala između materijala bimetala treba biti što manja da ne dođe do elektrokorozije. Legure željeza i nikla imaju malen temperaturni koeficijent rastezanja. Među njima invar s 36% Ni ima najmanji temperaturni koeficijent (1x10-6C-1). Gotovo je uvijek jedna strana bimetala. Druga strana su: mjed (Cu, Zn), konstantan, nikal i slitine željeza s 20% Ni i 6% Mn.

materijali za provode kroz staklo
MATERIJALI ZA PROVODE KROZ STAKLO

Da bi se dovela električna struja u vakuumirane staklene balone, ili plinom punjene cijevi, koriste se posebni materijali za provode kroz staklo. Treba uvijek imati na umu da se materijal takvog vodiča odabire prema vrsti stakla, nikako obrnuto. Razlikuju se tzv. tvrda i meka stakla. Tvrda stakla imaju temperaturni koeficijent rastezanja (3-6) x 10-6C-1, a meka stakla (8-10) x 10-6C-1.

Vodič treba imati sličan temperaturni koeficijent rastezanja u većem temperaturnom opsegu kao i staklo. Vod treba dobro brtviti. Treba stvarati i dobar mehanički spoj sa staklom.

Ako vod može imati promjer do 0,1 mm kod mekih stakala koristi se bakar. Platina je tehnički najbolja, ali je preskupa i koristi se samo za laboratorijske namjene. Kod mekih stakala koriste se i slitine željeza i nikla (platinit: željezo s 48% Ni). Slitine obično imaju slab spoj sa staklom i upijaju plinove koji se ispuštaju pri hlađenju. To se uklanja bimetalnim vodom: jezgra mu je od slitine željeza s 42-50% Ni, a tanki plašt je od bakra ili platine.

To se uklanja bimetalnim vodom: jezgra mu je od slitine željeza s 42-50% Ni, a tanki plašt je od bakra ili platine. Dolaze pod imenom: fink-žica, eldred-žica i platin-žica (sve za promjer do 1 mm). Za deblje vodove služe slitine željeza s 25-30% kroma.

Kod tvrdih stakala koriste se volfram, molibden, slitine željeza s 28-29% nikla i 17-18% kobalta (kovar i fernico), te slitine volframa s 13% nikla i 5% kobalta (wonico).

materijali za rastalne osigura e

Namjena osigurača je zaštita instalacija ili ponekog uređaja od prejakih električnih struja. Priključuju se serijski, a postavljaju se u svaki neuzemljini vodič, na mjestima gdje se instalacija grana i na mjestima gdje se mijenja presjek vodiča. Temeljni dio rastalnih osigurača je rastalna nit. Razlikuju se osigurači tipa B i tipa D.

Temeljna podjela rastalnih osigurača je na brze i trome (spore). Tromi osigurači moraju izdržati desetorostruku nazivnu struju cijelu sekundu. Brzi osigurači moraju izdržati petorostruku nazivnu struju desetinku sekunde. Na struje kratkog spoja trenutno prekidaju strujni krug.

Materijali za izradu tanke rastalne niti (žice) su:

- srebro, dobro je za sve struje, ali zbog skupoće se koristi za one ispod 5A;

- slitine olova i kositra, u omjeru 2:1, koriste se za struje od 5 do 30 A;

- cink, vrlo se često koristi, ali može biti i opasan jer prska pri izgaranju te može metalizirati keramičko tijelo, uslijed čega može doći do vođenja: nit se stoga stavlja u kremeni pijesak;

- aluminij, za struje niskog napona, za spore osigurače;

- slitine bakra i srebra, u omjeru 1:1, za jake struje;

- platina, za slabe struje do 10 mA (u telefoniji).

MATERIJALI ZA RASTALNE OSIGURAČE
materijali za rastalne osigura e1
MATERIJALI ZA RASTALNE OSIGURAČE

Pakiranja osigurača

Različitih su oblika i veličina da bi se mogli uklopiti u različite primjene. Tijela osigurača danas većina proizvođača radi od keramike, stakla, plastike, fiberglasa, mikinih laminata i sl.Pakiranje obično ima cilindričan oblik s metalnim kapama na krajevima. Obično su kape različith veličina da se spriječi stavljanje na krivo mjesto neodgovarajućeg osigurača. Osigurači projektirani za lemljenje na tiskane pločice imaju radijalne ili aksijalne žičane izvode za spajanje. Osigurači s površinskim postavljanjem (surface mount fuses) imaju umjesto izvoda kontakte (npr. oblika pločice, gumice i sl.).

Osigurači koji se koriste u krugovima napona 200-600 V i strujama većim od 10 A, koji se koriste u industriji i elektroenergetici, obično imaju metalne vrpce na svakom kraju.

Materijali

Stakleni osigurači imaju prednost, jer je vidljivo stanje osigurača za inspekciju. Problem je kapacitet proboja, koji je vrlo nizak. Stoga su ograničeni na primjene niže od 15 A ili 250 VAC. Keramički osiguračima je prednost da se mogu koristiti za više struje i napone. U osigurač se dodaje pjesak da se zaštiti od prejakih struja.

slide9

MATERIJALI ZA RASTALNE OSIGURAČE

Označavanje bojama

Bosh-tip

(u starim europskim

autima, DIN 72581/1)

materijali za rastalne osigura e2
MATERIJALI ZA RASTALNE OSIGURAČE

Osigurači za visoke napone

Ovi se osigurači koriste do 115 kV Ac. Služe za zaštitu transformatora u električnoj mreži i za male energetske transforamtore, kod kojih se prekid strujnog kruga ne može garaftirati ako se koriste standardni osigurači koji prekidaju strujni krug. Osigurači za visoke snage koriste srebro, bakar i sl. Kodvisokonaponskih eksplozijskih osigurača rastopivu jezgru okružuje plin ili tvar koja ga stvara, kao borna kiselina. Kad osigurač eksplodira topina omogućuje nastanak velikih količina plina. Nastaje visoki tlak (100 atm.), a hladni plinovi brzo guše električni luk.

materijali za elektri ne kontakte
MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE
  • Električni kontakti su veoma rašireni, te pouzdanost rada mnogih uređaja ovisi o njima.
  • Mogu biti prekidni i klizni, a namjena im je da prekidaju i zatvaraju strujni krug.
  • Korozija i erozija ometaju pouzdan rad električnih kontakta.
  • Koroziju izazivaju oksidacija, pojava sulfidnih spojeva na površini kontakta(izolator). Taljenjem, isparavanjem i raspršivanjem materijala kontakta dolazi do njegove erozije. Pri eroziji često dolazi do prijenosa materijala kontakta s jednog njegovog pola na drugi. To je posebice izraženo kod istosmjernih struja: na pozitivnom polu kontakta nastaje udubljenje gubitkom materijala, a na negativnom polu nastaje talog.
  • Pri velikim iznosima električne struje može doći do zavarivanja kontaktnih polova. Kontakti se mogu podijeliti na:
      • kontakte za mala opterećenja (električne struje do 1 A),
      • kontakte za srednja opterećenja (električne struje do 20 A),
      • kontakte za velika opterećenja (električne struje iznad 20 A).
materijali za elektri ne kontakte1
MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE

U kontakte za mala opterećenja ubrajaju se vremenski releji, mjerni preklopnici, precizni kontakti u instrumentima, i sl. Prikladni su plemeniti metali: platina, paladij, iridij, rodij, srebro i zlato, te volfram i molibden. Zbog skupoće platine, zlata i rodija koriste se platinirani kontakti: nositelj je bakar ili srebro, a iznad je pločica od npr. platine.

Često se rabe legure zlata i platine (u mjernoj tehnici), platine i iridija (5 %) (dobra mehanička svojstva), te zlata, srebra i nikla (3 %) (rabi se u lošim atmosferskim uvjetima).

materijali za elektri ne kontakte2
MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE

Kod kontakata za srednja opterećenja dolazi do većeg trošenja i većeg zagrijavanja kontakata.

Materijali koji se koriste za izradu kontakata za srednja opterećenja su: volfram, srebro, srebro – volfram, srebro – kadmij, srebro – nikal, te srebro – molibden. Kod većih opterećenja koristi se volfram, jer je otporan na stvaranje električnog luka. Obično se pločica volframa zavari na željezo, mjed ili bakar. Srebro je posebno dobro za značajnije opterećene telefonske i telegrafske releje.

materijali za elektri ne kontakte3
MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE

Kontakti za velika opterećenja trebaju imati posebnu konstrukcijsku izvedbu s većim dodirnim površinama zbog lakšeg odvođenja topline.

Temeljni materijali za kontakte za velika opterećenja su “tvrdi” bakar, njegove legure, srebro i legure srebra.

slide15
VODA

Voda se može rabiti kao otporni materijal.

Treba razlikovati destiliranu vodu od onečišćene, izvorske ili morske vode, koje sadržavaju minerale ili otopljene soli.

Morska je voda poprilično dobar vodič električne struje, čista destilirana voda je izolator s električnom otpornošću od oko 106m.

Destilirana, čista, voda je izolator s električnom otpornošću od 1010m. Destilirana voda s nečistoćama, odnosna ona u kojoj ima otopljenih minerala i soli je vodič električne struje (kao npr. morska voda). Voda, s dodatkom natrijeva karbonata ili kuhinjske soli, može se upotrebiti kao otpornik koji može pretrpjeti veće udare električne struje, a primjenjuje se kod pokretanja većih elektromotora, kad se elektrode urone u vodu.

U takvu vodu urone se dvije elektrode, jedna obvezno pomična.

metali za razli ite namjene
METALI ZA RAZLIČITE NAMJENE

Platina (Pt) - visoka cijena, plemenit metal, otporan na kiseline i lužine, ne oksidira, dobro se obrađuje, a niti mogubiti debljine 1 m. Skupina metala koji se u prirodi nalaze redovito uz platinu, te koji imaju slična fizikalna i kemijska svojstva nazivaju se platinskimmetalima. To su: rutenij (Ru), rodij (Rh), paladij (Pd), osmij (Os), iridij (Ir). Služe kao katalizatori, kao površinska zaštita drugih metala čime se postižu pored boljih mehaničkih i bolja optička i kemijska svojstva, te za izradu često rabljenih slitina.

Srebro (Ag) - plemeniti metal, ne oksidira pri uobičajenim temperaturama. Čisto srebro je mekano, te mu se mehanička čvrstoća povećava dodavanjem bakra. Može se izvlačiti u iznimno tanke žice i folije. Zavarivanje i lemljenje srebra je jednostavno. Koristi se pri izradi složenih foto katoda, srebro – cink akumulatora, električnih kontakata, rastalnih osigurača, slitina bakra, pri lemljenju, pri metalizaciji izolacijskih materijala, za izradu obloga kvalitetnih kondenzatora, kao što su keramički i tinjčevi kondenzatori, itd.

metali za razli ite namjene1
METALI ZA RAZLIČITE NAMJENE

Kositar (Sn) - metal, ne oksidira pri normalnim temperaturama, niskog tališta (232 C) i malene vlačne čvrstoće. Koristi se kao komponenta u slitinama: broncama, lemovima, za niti rastalnih osigurača, za izradu tankih folija – staniol (s 15 % olova i 1 % antimona), koje se koriste za obloge kondenzatora.

Nikal (Ni) - metal otporan na koroziju, Koristi se u mnogim slitinama, kao jedna strana termoelemenata i bimetala, za zaštitu željeza od korozije, za izradu dijelova visokovakuumskih elektroničkih cijevi, itd.

Volfram (W) - metal koji ima najviše talište (3380 C), koji je veoma tvrd, ali koji veoma brzo oksidira, te se primjenjuje i obrađuje u zaštićenoj atmosferi. Zbog visokog tališta primjenjuje se za izradu žarnih niti žarulja, u visokovakuumskoj tehnici za dijelove elektronki, za izradu električnih kontakata kao komponenta u slitinama, itd.

metali za razli ite namjene2
METALI ZA RAZLIČITE NAMJENE

Olovo (Pb) - za ljude otrovan metal, niskog je tališta (327 C), na zraku oksidira; ima otpornosti prema vodi, solnoj i sumpornoj kiselini. Koristi se u zaštiti od radioaktivnog zračenja, pri izradi olovnih akumulatora, za izradu niti rastalnih osigurača, za plašteve kabela da bi kabele štitio od vlage, itd.

Živa (Hg) -pri sobnoj temperaturi u tekućem stanju. Krutište joj je pri –39 C, a isparava pri 357 C. Otrovna je, kao i njeni spojevi i njene pare. Pri zagrijavanju na zraku oksidira. Koristi se za izradu živinih kontakata u relejima, živinih svjetiljki, živinih usmjerivača, itd.

Zlato (Au) - plemeniti metal, veoma otporan na koroziju, veoma mekan, koji se lako obrađuje. Može se izvlačiti u obliku tankih limova čija je debljina reda mikrona. Zlato veoma dobro provodi električnu struju i toplinu. Dobro se lemi. Koristi se za izradu električnih kontakata, zaštitne prevlake, posebne vodljive dijelove, elektrode fotootpornika, te u mikroelektronici za spajanje pojedinih komponenata integriranih krugova.

slide19

Tantal i niobij dobivaju se metaluršim procesom u vakuumskim pećima. Postojani su na sobnoj temperaturi.

Tantal upija plinove, pa se koristi za održavanje tehničkog vakuuma.

Oba elementa se koriste za izradu anoda odašiljačkih elektronki, a tantal i za katode.

Oksidirani tantal se koristi za minijaturne i vrlo kvalitetne elektrolitske kondenzatore.

Niobij se primjenjuje kao konstrukcijski materijal u nuklearnoj tehnici, a tantal za izradu termočlanaka.

supravodljivost

SUPRAVODLJIVOST

Uvod, primjena, novi trendovi

slide21

Ovisnost otpora nekog materijala ili otpornika o temperaturi data je s:

R = R0 (1 + T)

gdje je  temperaturni koeficijent materijala, R0 otpor pri referentnoj (u praksi sobnoj) temperaturi, T razlika između stvarne i referentne temperature, a R otpor pri stvarnoj temperaturi.

Ako želimo da R bude jednak 0, onda slijedi:

R = 0 = R0 (1 + T)  : R0

(1 + T) = 0

T = -1

T = -1/

T – T0 = -1/

T = T0 -1/

Za T0 = 20C i  = 0,004C-1 slijedi:

T = 20 – 250 = - 230C.

To znači da materijalu s  = 0,004C-1 iščezava otpor na temperaturi od -230C, te da tada provodi električnu struju bez gubitaka.

Slično se može utvrditi za bilo koji materijal s pozitivnim temperaturnim koeficijentom.

slide22

Neki materijali nikako ne mogu postati supravodljivi. To su pretežno materijali iz grupe poluvodiča i iamju negativan temperaturni koeficijent otpora.

R = 0 = R0 (1 + T)  : R0

(1 + T) = 0

T = -1

T = -1/

T – T0 = -1/

T = -273,15°C

 = -1/(T – T0) = -0,00395

Materijali koji imaju manji apsolutni iznos temperaturnog koeficijenta, a negativnog je predznaka ne mogu biti u supravodljivom stanju. Ako se apsolutni iznos poveća, smanji se član 1/, pa je dominantniji član T0, te kritična temperatura biva iznad apsolutne nule, pa takvi materijali mogu biti supravodiči.

supravodljivost1
SUPRAVODLJIVOST

Pojava iščezavanja električne otpornosti koja nastaje kao rezultat podhlađivanja vodiča do kritične temperature Tc, naziva se supravodljivošću. Prvi put je eksperimentalno primjećena na živi 1911. (Kamerlingh Onnes). Teorijski je pojava objašnjena s pomoću kvantne mehanike pedesetak godina kasnije. Teorija se naziva prema autorima BCS - J. Bardeen, L. Cooper, J. R. Schriefer.

Problem pri praktičnim primjenama supravodljivosti su vrlo niske temperature pri kojima se materijal dovodi u supravodljivo stanje. Kod žive, to je 4,2 K! Sredstvo za hlađenje je za te temperature tekući helij. Tehnologija tekućeg helija je vrlo složena i skupa.

Od sredine devedesetih godina (1986) otkriveni su keramički materijali kod kojih je pojava supravodljivosti izrazita pri temperaturama i iznad 100 K (visokotemperaturni supravodiči). Te temperature omogućuju hlađenje tekućim dušikom. On je danas standardni materijal raširene uporabe. Cijena je u odnosu na tekući helij manja za više od 100 puta! To omogućuje intenzivniji razvoj primjene supravodiča.

Moguća područja primjene su: prijenos energije, izgradnja jakih magneta, transport, električni strojevi, računalska tehnika, i sl.

supravodljivi materijali
Supravodljivi materijali

Velikom broju metala električna otpornost, pri smanjivanju temperature ka apsolutnoj nuli, postupno teži nuli. Međutim, postoje metali i neke legure, kod kojih električna otpornost pri nekoj temperaturi Tc naglo pada od neke konačne vrijednosti na nulu. Pri daljnjem smanjenju temperature do apsolutne nule električna otpornost tih materijala jednaka je nuli.

Temperatura kod koje električna otpornost postaje praktički jednaka nuli naziva se kritičnom temperaturom. Električna otpornost umjesto da se postupno smanjuje pada manje (supravodič tipa S2; ima donju Tcd i gornju Tcg kritičnu temperaturu; karakterizira se ipak samo jednom: srednjom) ili više (supravodič tipa S1) naglo na nulu.

Magnetsko polje utječe na supravodiče: snižava kritičnu temperaturu. Što je veća jakost magnetskog polja to je izraženije sniženje kritične temperature.

Komercijalni kriogenski

uređaj

Shematski prikaz dobivanja tekućeg helija

supravodi tipa s1
Supravodič tipa S1

Supravodič tipa S1 ima dva potpuno stabilna i jasno odijeljena stanja. To su supravodljivo stanje i stanje normalne vodljivosti.

Supravodiči tipa S1 mogu, ako se izlože magnetskom polju i zatim ohlade, potpuno istisnuti magnetsko polje iz sebe, osim u neznatnom pripovršinskom sloju (tzv. Meissnerov učinak).

supravodi tipa s2
Supravodič tipa S2

Supravodiči tipa S2 zadržavaju određene lokalizirane niti magnetskog toka unutar supravodljivog materijala (uz pomake tih niti magnetskog toka definiraju se i supravodiči tipa S 3: kod njih se može tehnologijskim postupcima zaustaviti pomicanje niti magnetskog toka i povećati gustoću struje).

Kod supravodiča tipa S2, a u odsutnosti magnetskog polja, razlikuju se tri stabilna stanja. To su: supravodljivo (ispod Tcd), miješano (između Tcd i Tcg), te normalno vodljivo stanje (iznad Tcg).

supravodi i

Mogu se istaknuti četiri činjenice vezane uz supravodiče:

  • skokovita promjena električne otpornosti pri kritičnoj temperaturi,
  • dugotrajno postojanje električne struje u konturi od supravodljivog materijala kada je ohlađen na temperaturu ispod kritične,
  • nepostojanje magnetskog polja, osim u pripovršinskom sloju - Meissnerov učinak, unutar materijala koji se nalazi u supravodljivom stanju,
  • mogućnost razaranja supravodljivosti jačim vanjskim magnetskim poljem.
Supravodiči

Otpora nema kada supravodičima protiče istosmjerna struja. DC u supravodičkom krugu teče beskonačno dugo. Za izmjeničnu struju, otpor se povečava s povečanjem frekvencije. U primjeni to znači da je otpor supravodiča tisućiti dio otpora najboljeg vodiča. Stoga ove supravodičke radio-frekvencijske komponente predstavljaju najbolje u svijetu. Supravodiči se koriste u baznim stanicama mobilne telefonije.

primjene supravodljivih materijala
Primjene supravodljivih materijala

Nekoliko je velikih područja primjene supravodljivih materijala:

 za izradu elektromagneta velikih iznosa magnetske indukcije,

 pri prijenosu električne energije,

 u transportu,

 pri izradi električnih strojeva,

 pri izradi komutacijskih elemenata i memorija i

 u mjernoj tehnici.

Malen je broj laboratorija u svijetu posjedovao snažne magnete indukcije iznad 5 T. Radi se o elektromagnetima s velikim gustoćama struja, ogromnih gubitke snage reda veličine MW.

Supravodljivi materijali omogućili su većem broju laboratorija izradu elektromagneta indukcija preko 15 T uz bitno smanjene gubitke snage.

primjene supravodljivih materijala1
Primjene supravodljivih materijala
  • Supravodički magneti rabe se u načelu u:
  • istraživačke svrhe
  • - temelj rada fuzijskih elektrana budućnosti su ekstremno jaka
  • magnetska polja;
  • - mogućnost akumuliranja energije u magnetskom polju;
  • - izgradnja akceleratora čestica - supravodljivi superakcelerator;
  • - u medicini - nuklearna magnetska rezonancija,
  • u transportu
  • - mnogo se polaže na izgradnju supravodičkih vlakova koji bi
  • lebdjeli iznad tračnica na magnetskom "jastuku". Vlakovi bi
  • imali brzine oko 500 km/h (nezamislivo da imaju kotače)
  • U Japanu su istraživanja dovela, već 1979. godine do modela
  • supravodičkog vlaka koji je dostigao brzinu od 517 km/h.
  • - levitirajući automobili (lebde iznad supravodljivih auto putova)
prikazivanje magnetnom rezonancijom mri
Prikazivanje magnetnom rezonancijom (MRI)

Doktori izvode preglede pomoću magnetne rezonancije na pacijentima da bi ispitali meka tkiva kao što je hrskavica, membrane i moždano tkivo, bez potrebe za istraživačkom kirurgijom.

Tijekom MRI skeniranja pacijent je smješten unutar kružne komore. Elekromagneti napravljeni od supervodiča okružuju komoru proizvodeći veliko magnetsko polje koje uzrokuje da se jezgre vodika, u pacijentovom tkivu, poredaju u smjeru magnetskog polja.

Vodikova jezgra titra oko tog magnetskog polja kao zvrk koji je okreče oko svoje osi. Frekvencija tog kretanja, poznata kao Larmorova frekvencija, ovisi o snazi magnetskog polja.

Elektromagneti koji se sastoje od žićanih zavojnica, koji moraju izdržati vrlo velike struje bez topljenja, proizvode jako inducirano magnetsko polje (oko 1 Tesla). Supervodiči su upotrebljavani za izradu žičanih zavojnica zbog toga što supervodiči mogu provesti električnu struju bez otpora i bez zagrijavanja.

Puls radio valova koji je istovjetan Larmorovoj frekvenciji se ispaljuje u područje tkiva koje se treba prikazati.

Kao rezultat vodikova jezgra titra i postavlja se različito od smjera magnetskog polja. Kada se vodikova jezgra postavlja uzduž magnetskog polja, ona emitira radio valove koji se tada detektiraju.

Variranjem snage magnetskog polja uzduž pacijentovog tijela, u sve tri dimenzije, valovi će različitih frekvencija biti emitirani iz različitih područja ispitivanog tkiva. Kao rezultat, gustoća vodika u pacijentovom tkivu može biti mjerena u tri velićine. Kompjuter obrađuje sve detektirane signale da bi proizveo MRI sliku.

supravodi i kao be i ni filteri
Supravodiči kao bežični filteri

Mikrovalni filteri napravljeni od supravodiča imaju prednost jer se ustupci između selektivnosti filtera i efikasnosti filtera koja postoji kod konvencionalnih materijala ne odnose na supravodiče. Obični filteri su značajno neučinkoviti (signal se gubi u obliku topline) jer se prave više selektivno (filteri s više stupnjeva ili polova). Supravodički filteri imaju izuzetno male unutarnje gubitke, čak i kada se prave s velikim brojem polova. Stoga bolji filteri postaju praktični tek ako su napravljeni od supravodiča.

Zbog povečanih gubitaka u bakru, uobičajeni filteri su ograničeni na najviše 9 polova. Conductus je osigurao celularne filtere s čak 19 polova. Zatim, supravodički filtri s tankim filmom su kompaktniji od rezonantnih supljinskih filtera koji se trenutno koriste u baznim stanicama. Ti filteri mogu biti i do 50 cm dugi; 19-polni filter prikazan na slici gore velik je 8 cm.

primjene supravodljivih materijala2

u električnim strojevima

  • - supravodljivi materijal omogućuje da su takvi strojevi značajno
  • manjih dimenzija od klasičnih pri istoj snazi. To je posebice
  • značajno u svemirskim i vojnim istraživanjima. Veliki napori su
  • uloženi u konstruiranje upravo brodskih motora i generatora.
  • u distribuciji električne energije
  • - korištenje supravodljivih kabela pri prijenosu električne energije
  • ekonomski je isplativo, zbog velikih investicijskih troškova, tek
  • za snage iznad nekoliko tisuća MW.
  • Razmatraju se tri koncepcije pri razvoju niskotemperaturnih
  • kabela: korištenje nesupravodljivih materijala (aluminij i bakar),
  • uz hlađenje tekućim vodikom, korištenje niobija za izmjeničnu
  • (hlađenje helijem) i niobij – kositra za istosmjernu (hlađenje
  • helijem) supravodičku struju. Supravodljivi materijali nisu
  • najprikladniji za prijenos izmjenične struje.
  • - Otkriće supravodiča pri sobnoj temperaturi omogućuje prelazak na istosmjerni
  • EDISONOV sustav umjesti TESLINOG, što nosi mnoge uštede.
Primjene supravodljivih materijala
primjene supravodljivih materijala3
Primjene supravodljivih materijala
  • supravodljiva računala
  • - temeljila bi svoj rad na supravodljivim mikroelektroničkim elementima, Josephsonovim spojevima, kao sklopkama. U usporedbi sa sadašnjim računalima supravodljiva računala bila bi brža, manja i efikasnija
  • supravodljivi mjerni uređaji
  • - služili bi za mjerenje iznimno slabih električnih i magnetskih polja, te isto takvog elektromagnetskog zračenja.
  • - To se može iskoristiti u medicini (magnetoencelografija,
  • magnetokardiografija) i u geofizici (mjerenjem slabih
  • geomagnetnih promjena moglo bi se predvidjeti potrese).
  • Spomenute primjene temelje se na supravodljivim SQUID (Superconductive
  • Quantum Interference Detector)- detektorima, do kojih se dolazi kombiniranjem
  • Josephsonovih spojeva. Omogućuju mjerenje s točnošću oko 10-15 T.
slide34

Tunel-efekt u kvantnoj mehanici

Josephsonov spoj

Ideja SQUID detektora: 2 Josephsonova spoja u paraleli. Magnetski tok kroz petlju supravodiča upravlja relativnom fazom dvaju spojeva.

primjene supravodljivih materijala4
Primjene supravodljivih materijala

Dvije supravodljive žice namotane su prema slici. U temperaturi ispod obje kritične, oba su vodiča supravodljiva. Mijenjanjem struje, mijenja se i magnetsko polje. Kada je ono veće od kritičnog polja, žica prelazi iz supravodljivog u normalno stanje. Ovo se može promatrati i kao prekidač.

Ovaj kabel radi pri istosmjernoj I = 67 kA i U = 75kV, sloj nioba je debel 0,32 mm, a cijev 67 mm. Ekonomski je isplativa za velike snage na velikim udaljenostima.

novi trendovi u supravodljivosti
Novi trendovi u supravodljivosti

Proizvodnja supravodljivih

žica

Struktura supravodiča

Keramički supravodiči

Plastični

supravodiči

Tržišni proizvodi

otkri e jeftinijeg supravodi a
Otkriće jeftinijeg supravodiča

Novi supravodiči se nalaze i na neočekivanim mjestima, kao što su oni s metalnim komponentama. Takav je i magnezijev diborid.

Dosad nije bio otkriven, jer nikad nije testiran na supravodljivost.

Tako jeftin metalni spoj može ne samoomogućit oštriju sliku pri magnetskog rezonanciji (MRI), nego poboljšati učinkovitost elektrana.

Pronalazač ovog supravodiča je prof. Jun Akimitsu s Tokijskog sveučilišta.

Diboridova kritična temperatura je 39 K. Ovaj materijal bi mogao biti najbolji za supravodljive žice i magnete.

Cijena: 100 grama je samo 200 USD.

plasti ni supravodi i
Plastični supravodiči

2000. god. - Istraživački tim iz SAD, Njemačke i Švicarske demonstrirao je prvi organski polimer supravodič - tanki film vodljivog politiofena koji gubi svu električnu otpornost ispod 2,35 K.

Otkriće vodljivih polimera je priznato Nobelovom nagradom za fiziku za 2000. Sada više istraživačkih skupina istražuje kako se mogu konstruirati tranzistori, LED i ravni kompjuterski monitori s tim novim materijalima.

Prijašnji promašaji u pokušaju stvaranja supravodljivih polimera nastali su zbog upotrebe kemijskih dopanata.

Na slici - nulti otpor je mjeren kroz unutrašnje kontakte u poltiofenom filmu, potvrđujući supravodljivost filma.

BACK

razvoj tr i ta supravodljivih materijala

Dok su teoretičari pokušavali razumijeti visokotemperaturnu supravodljivost, industrija je razvila širok spektar uređaja koji ulaze na globalno tržište i kojima je potencijalna vrijednost milijarde USD.

Nakon mnogo godina kako su otkriveni visokotemperaturni supravodiči i puno uloženog novca industrije u istraživanja, javnost nije doživjela ono što se odmah očekivalo. Ne primjećuje se nikakva praktična primjena. Međutim, mnogi aspekti kemije i fizike keramičkih supravodiča su dobro poznati. Mnogi proizvodi zasnovani na tim istraživanjima su u pripremi za izlazak na tržište.

Ovi supravodički materijali pred očima postaju sposobni levitirati magnet ili savršeno provoditi struju kad se bace u tekući dušik na 77 K.

Supravodljivost je makroskopski dokaz kvantno-mehaničkih stanja i, kao takav, je ulazna točka u misterij kvantnog svijeta. Supravodiči mogu podnijeti struje gustoće 2000 puta veće od bakrene žice! Koriste se i u širokom opsegu mikrovalnih i elektroničnih naprava. Najveća zakočnica u širenju takvih proizvoda je hlađenje, dok je sam vodič od npr. niobia 16 puta jeftiniji od bakrenog.

Otkriće materijala kao barijsko-kalcijsko-bakrenog oksida (HgBa2Ca2Cu3O8), koji je supravodič još na temperaturama iznad 134 K, podiglo je razinu očekivanja od ovih tehnologija. Slika: Krio-hlađeni rotor sadrži 4 VTS zavojnica, koje omogućuju viša magnetska polja od konvencionalnih odgovarajućih proizvoda i eliminiraju potrebu za teškim željeznim jezgrama. Prototip VTS motora je završen 2000. Nalazi se na tržištu.

Razvoj tržišta supravodljivih materijala

Porijeklo supravodljivosti je bilo tajna gotovo pedeset godina nakon prvog otkrića, sve dok se 1957. nije objavila teorija Johna Bardeena, Leona Coopera i Roberta Schrieffera (BCS toerija).

U BCS teoriji je predloženo stanje materije u kojem elektroni u supravodljivosti tvore "Cooperove parove" koji doprinose izbjegavanju sudara i interakcije s metalom koje dovodi do električnog otpora. To sparivanje elektrona se primjećuje samo kada je temperatura dovoljno niska tako da su uobičajeni toplinsko - inducirani pokreti elektrona dovoljno reducirani.

U visoko-temperaturnim supravodičima postoji znatna razlika u promatranom ponašanju koje se po BCS teoriji ne primjećuje. Kao rezultat toga, mnogi teoretski fizičari su mukotrpno radili kako bi objasnili taj fenomen.

. Kakavgod da je taj mehanizam, još nije otkrivena niti jedna teorija koja bi unaprijed odredila koji materijali su supravodiči i na kojim temperaturama. Za sada imamo samo teorije koje objasnjavaju zašto su materijali supravodiči.

BACK

kerami ki supravodi i
Keramički supravodiči

Visokotemperaturni supravodiči (VTS) su keramički materijali kod kojih se elementi stupaca IIa i IIIb (kao npr. itrij i barij ili lantan i strocij) postavljeni u sendvič između slojeva atoma bakra i kisika.

Ta slojna atomska struktura uzrokuje da materijali imaju visoka anizotropna fizička i supravodička svojstva. Moguće je oblikovat kristal, tanki film ili polikristalnu keramiku iz tih materijala. Za supravodičke žice kristal ne dolazi u obzir, nego druge dvije mogućnosti. (Epitaksijalni film od visokotemperaturnog supravodiča koji raste na dugim fleksibilnim podlogama izrađuje se u planarnoj tehnologiji, koja je obrađena u posebnom poglavlju na pitanju izrade poluvodičkih elemenata.)

Zbog koherencije i anizotropnosti, VTS moraju biti velike gustoće, imati visoku kvalitetu granica sastavnih granula i njihov visok stupanj poredanosti. Iako je poznato više od 50 VTS materijala, samo sa dva su uspješno formirane duže VTS žice: bizmut-stroncij-kalcij-bakreni oksidi Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) i Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi-2212).

BACK

proizvodnja supravodi kih ica
Proizvodnja supravodičkih žica

VTS žice koje sadrže punjenje Bi-2223 se tipično proizvode tako da se u pakovanje od srebrene cijevi prvo spremi prah Bi-2212. On reagira s Bi-2223 kad se zagrije. Napunjene srebrne cijevi se obrađuju s obzirom na dijametar i dužinu koju treba imati VTS žice. Rezultat obrade (sadržaj cijevi) se onda oblikuje u oblik ravne vrpce i temperaturno obrađuje.

Prednost sustava zasnovanih na bizmutu je da teksture mogu biti formirane progresivno deformirajući Bi-2212 ili Bi-2223.

Međutim, sustavi bazirani na bizmutu imaju najnižu kritičnu gustoću struje. Slabo vezani bakreni dioksid se rasparuje na primjenjenom magnetskom polju uzrokujući otpor čak i ako je sam VTS materijal striktno supravodljiv.

Moderne države imaju gubitke 7-9% u dalekovodima, pa bi primjena VTS žica dovela od uštede od 1,7 milijadri britanskih funti samo u V. Britaniji! Prototip energetskog kabela je već implementiran. Sastoji se

od izolacije, hlađenja, zaštite, dielektrika i vodiča. Koristi se

tekući dušik na 77 K.

BACK

fizika visokotemperaturne supravodljivosti
Fizika visokotemperaturne supravodljivosti

Uzrok VTS u keramičkim materijalima je jedana od najvećih tajni fizike, ali ponašanje tih materijala kada nisu u supravodljivom stanju je još veća tajna. Ako se u spoju La2CuO4 (izolator) zamjene atomi lantana s atomima stroncija, spoj gubi električnu otpornost.

Temperatura na kojoj tako dopirana keramika postaje supravodljiva varira u ovisnosti o koncentraciji stroncija od 38K pa do i iznad 130K. Danas postoje stotine baznih postaja za mobitele koji su opremljeni mikrovalnim filterima od VTS materjala, a uključuju limitere struje, magnete, akceleratore i sustave pohrane energije.

Fazni dijagram keramičkih materijala pokazuje različita ponašanja na različitim temperaturama. Fizička svojstva keramike mijenjaju se naglo pri prijelazu u supravodljivo stanje. U drugim područjima faznog dijagrama, svojstva se mijenjaju gradacijski.

Najvažnija područja faznog dijagrama su: antiferomagnetsko, pseudodžep (poddopirano područje), Fermi-likvidno, supravodljivo i ne-Fermi likvidno područje.

BACK

pitanja za ponavljanje pred 2 3
Pitanja za ponavljanje (pred 2,3)
  • Nabrojite teksture bakra.
  • Objasnite vodikovu bolest bakra.
  • Što je značajno za okside bakra i aluminija?
  • Bronce.
  • Koji se postupci koriste pri lemljenju aluminija?
  • Kako se dijele legure za izradu žičanih otpornika?
  • Materijali za izradu preciznih otpornika.
  • Materijali za izradu termoelemenata.
  • Materijali za provode kroz staklo.
  • Materijali za kontakte malih opterećenja.
  • Objasnite utjecaj sumpora na bakar.
  • Mjed.
  • Pojasnite pojam „fluks“.
  • Koji je najpodesniji način spajanja aluminija?
  • Materijali za izradu regulacijskih i opće tehničkih otpornika.
  • Materijali za izradu žarnih elemenata.
  • Materijali za izradu termobimetala.
  • Materijali za rastalne osigurače.
  • Metali za različite namjene.
  • Supravodljivi materijali.
  • Primjena supravodljivih materijala.