5.1.2.3 Надпровідники

Особливу групу матеріалів високої електричної провідності становлять надпровідники.

Зі зменшенням температури електричний опір всіх металів монотонно знижується (рис. 5.5). Але є метали і сплави, у яких електричний опір при критичній температурі різко знижується до нуля – матеріал стає надпровідником. Надпровідність виявлена у 30 елементів і біля 1000 сплавів. Надпровідні властивості виявляють багато сплавів зі структурою впорядкованих твердих розчинів і проміжних фаз (-фаза, фаза Лавеса та ін.). За звичайних температур ці речовини не володіють високою провідністю.

Рисунок 5.5 – Зміна електричного опору в металах (М) і надпровідниках (М_{надпров}) в області низьких температур [5]

Перехід металу в надпровідний стан пов’язують з фазовим перетворенням. Новий фазовий стан характеризується тим, що вільні електрони перестають взаємодіяти з іонами кристалічної ґратки, але вступають у взаємодію між собою. В результаті цього електрони з протилежно направленими спінами паруються. Результуючий спіновий момент дорівнює нулю, і надпровідник перетворюється в діамагнетик. Усі електронні пари розташовуються на низьких енергетичних рівнях, де вони перестають випробовувати теплове розсіювання, оскільки енергія, яку пара може отримати від взаємодії з іонами ґратки, дуже мала, щоб викликати це розсіювання.

Надпровідний стан зникає не тільки в результаті нагрівання, але й в сильних магнітних полях та під час пропускання електричного струму великої сили (критичні значення поля і струму).

Серед усіх елементів, що здатні переходити у надпровідний стан, ніобій має саму високу критичну температуру переходу 9,17 К (–263,83 С). Практичне застосування знайшли надпровідникові сплави з високим вмістом ніобію: 65БТ і 35БТ. Сплав 65БТ містить 22…26 % Ті; 63…68 % Nb; 8,5…11,5 % Zr та має критичну температуру переходу 9,7 К (–263,3С). Для температури 4,2 К критичне значення густини струму складає 2,810⁶ А/м², напруженість магнітного поля (6…7,2)10⁶ А/м². Дріт зі сплаву 35БТ складу 60…64 % Ті; 33,5…36,5 % Nb ; 1,7…4,3 % Zr через підвищену крихкість заливають в мідну матрицю.

Обидва сплави застосовують для обмоток потужних генераторів, магнітів високої потужності (наприклад, потяги на магнітній подушці), тунельних діодів (для ЕОМ).

Здатність надпровідників, які є діамагнетиками, виштовхувати магнітне поле, використовують в магнітних насосах, які дозволяють генерувати магнітні поля колосальної напруженості, а також в кріогенних гіроскопах. Якір гіроскопа, виготовлений із надпровідника, «плаває» в магнітному полі. Відсутність опор і підшипників усуває тертя і підвищує довговічність гіроскопа [5].

5.1.2.4 Контактні матеріали

Електричні контакти підрозділяють на розривні, ті, що ковзають та нерухомі. Основні вимоги для всіх контактів – незначний перехідний електроопір.

Розривні контакти. Ці контакти призначені для періодичного замикання та розмикання ланцюга і працюють в дуже складних умовах. В процесі роботи розривних контактів утворюється іскра або електрична дуга, що викликає корозію та електроерозійне зношування, в результаті чого відбувається окислення контакту. Опір електроерозійному зношенню в металах збільшується з підвищенням температури плавлення, в сплавах він додатково зростає зі збільшенням твердості та міцності. Із вищенаведеного випливає, що матеріал для розривних контактів повинен мати не тільки невеликий перехідний електроопір, але і високий опір корозії та електроерозійному зношуванню.

В залежності від електричної потужності розривні контакти поділяють на слабконавантажені та високонавантажені.

Слабконавантажені контакти виготовляють із благородних металів: золота, срібла, платини, паладію та їх сплавів, що мають низький перехідний електроопір та підвищену стійкість проти окислення. Високим опором до електроерозійного зношування ці метали і сплави не володіють, тому їх можна використовувати тільки в слабконавантажених контактах.

Високонавантажені контакти виготовляють з вольфраму, молібдену, їх сплавів та порошкових композицій.

Вольфрам завдяки своїй тугоплавкості добре опирається електроерозійному зношуванню. Незважаючи на окислення, вольфрам має невисокий та стійкий перехідний опір, оскільки він має достатню електропровідність, а оксидна плівка вольфраму під час роботи контакту руйнується. Крім цього, такі контакти не зварюються при експлуатації, їх застосовують при високій частоті перемикання.

Таке ж призначення мають сплави вольфраму з молібденом. Ці сплави містять 40…50 % Мо та володіють високим опором електроерозійному зношуванню, але внаслідок утворення безперервного ряду твердих розчинів, електричний опір сплавів та перехідний електричний опір мають високі значення. Сплави володіють зниженим опором газовій корозії, оскільки молібден і вольфрам утворюють оксидні плівки, що легко випаровуються. Такі сплави можна використовувати для потужних контактів, але лише в середовищі інертних газів або вакуумі. Сплави вольфраму з 45 % Мо використовують також для ниток розжарювання електричних ламп і катодів, як сплави підвищеного електричного опору.

В найбільш потужних контактах використовують спечені композиції вольфраму зі сріблом або міддю, або спікають пористий вольфрам, який потім в вакуумі просочують рідкою міддю або сріблом.

Контакти, що ковзають. До таких матеріалів висувають ті ж вимоги, що і для розривних, але головною вимогою є високий опір зварюванню. Крім окисленого срібномідного сплаву для контактів, що ковзають, застосовують композиції з порошків міді або срібла з незначними добавками графіту, який перешкоджає зварюванню (МГ3, МГ5, СГ3, СГ5). Цифра в марці вказує на вміст графіту у відсотках.

Нерухомі контакти. Ці контакти повинні мати низькі значення перехідного електричного опору; крім того, він повинен бути стабільним при невеликих контактних зусиллях. Тому для затискних контактів обирають корозійностійкий матеріал, який не утворює оксидні плівки високого електричного опору на контактній поверхні. Усім цим вимогам задовольняють мідь, латунь, цинк [5].