VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE Termoelement Termoelementi su dvije različite kovine ili slitine vodljivo spojene na jednom kraju.
Download ReportTranscript VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE Termoelement Termoelementi su dvije različite kovine ili slitine vodljivo spojene na jednom kraju.
VODLJIVI MATERIJALI: NEKE PRIMJENE i SUPRAVODLJIVOST 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 TERMOELEMENTE Kombinacije materijala za izradu pogonskih termoelemenata kombinacija materijala oznaka bakar – konstantan željezo – konstantan nikalkrom – konstantan nikalkrom – nikal platinarodij – platina Cu - konst. Fe - konst. NiCr - konst. NiCr - Ni PtRh - Pt radna temperatura do C 350 700 800 1200 1600 Općenito se za izradu termoelemenata koriste slijedeći materijali: - bakar - konstantan - kromel (90% Ni, 10% Cr) - nikal - platina - volfram - zlato - željezo - kopel (56% Cu, 44% Ni) - alumel (95% Ni, 5% Al, Si i Mg) - kromnikal - platinarodij (90% Pt, 10% Rh) - volfram - molibden MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE Kombinacije materijala za izradu laboratorijskih termoelemenata kombinacija materijala volfram – tantal volfram – molibden tantal – molibden volfram – volframmolibden oznaka W - Ta W - Mo Ta - Mo W - WMo radna temperatura do C 2000 2500 2500 2900 Najveću TEMS (terom-elektromotornu silu) daje kombinacija kromelkopel (za razliku temperatura 100C 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: A a L 2 ( ) s 100 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 Termobimetal manja od desetine slobodne duljine i za manje ukupne otklone. 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 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 1718% kobalta (kovar i fernico), te slitine volframa s 13% nikla i 5% kobalta (wonico). MATERIJALI ZA RASTALNE OSIGURAČE 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 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 V AC. Keramički osiguračima je prednost da se mogu koristiti za više struje i napone. U osigurač se dodaje pjesak da se zaštiti od prejakih struja. Slika 4.3: Rastalni osigurač tipa D (1- kapa s navojem; 2topljivi umetak; 3- kalibarski prsten; 4- osnova) MATERIJALI ZA RASTALNE OSIGURAČE Boja Struja (A) Označavanje maksimalne struje Struja (A) crna 1 žuta 20 siva 2 siva 25 ljubičasta 3 zelena 30 ružičasta 4 smeđa 35 narančasta 5 narančasta 40 Označavanje bojama Bosh-tip (u starim europskim autima, DIN 72581/1) smeđa 7,5 crvena 50 crvena 10 plava 60 Boja Struja (A) plava 15 tan 70 žuta 5 žuta 20 bezbojna, prozirna 80 bijela 8 bezbojna, prozirna 25 crvena 16 zelena 30 plava 25 plavo-zelena 35 amber 40 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. Kod visokonaponskih 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 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 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 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 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. 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 RAZLIČITE NAMJENE Platina (Pt) - visoka cijena, plemenit metal, otporan na kiseline i lužine, ne oksidira, dobro se obrađuje, a niti mogu biti debljine 1 m. Skupina metala koji se u prirodi nalaze redovito uz platinu, te koji imaju slična fizikalna i kemijska svojstva nazivaju se platinskim metalima. 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 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 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. 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 Uvod, primjena, novi trendovi 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 = 20C i = 0,004C-1 slijedi: T = 20 – 250 = - 230C. To znači da materijalu s = 0,004C-1 iščezava otpor na temperaturi od 230C, te da tada provodi električnu struju bez gubitaka. Slično se može utvrditi za bilo koji materijal s pozitivnim temperaturnim koeficijentom. U biti ova formula nije primjenjiva u cijelom temperaturnom području, ali je ovo samo ilustracija problema, a ne egzaktno rješenje. 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. U biti ova formula nije primjenjiva u cijelom temperaturnom području, ali je ovo samo ilustracija problema, a ne egzaktno rješenje. 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 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: Komercijalni kriogenski srednjom) ili više (supravodič tipa S1) naglo na nulu. uređaj Magnetsko polje utječe na supravodiče: snižava kritičnu temperaturu. Što je veća jakost magnetskog polja to je izraženije sniženje kritične temperature. Shematski prikaz dobivanja tekućeg helija 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). 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). Supravodiči 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. 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. Supravodič niobij olovo živa indij kositar talij galij Tc K 9,5 7,2 4,2 3,4 3,2 2,4 1,07 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 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) 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. 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 materijala • 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 • 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. 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 materijala I1 I2 K R IO T R O N 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. držač tekući helij cijev prekrivena slojem niobija vakuumska toplinska izolacija tekući dušik vakuumska toplinska izolacija 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 Proizvodnja supravodljivih Struktura supravodiča Keramički supravodiči žica Tržišni proizvodi Plastični supravodiči 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. KRAJ 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. Razvoj tržišta supravodljivih materijala Dok su teoretičari pokušavali razumijeti visokotemperaturnu supravodljivost, Porijeklo supravodljivosti je bilo tajnakoji gotovo godinatržište nakon prvog je industrija je razvila širok spektar uređaja ulazepedeset na globalno i kojima otkrića, sve dok se 1957. nije USD. objavila teorija Johna Bardeena, Leona Coopera i potencijalna vrijednost milijarde Roberta Schrieffera Nakon mnogo godina(BCS kakotoerija). su otkriveni visokotemperaturni supravodiči i puno uloženog novca industrije u istraživanja, javnost nije doživjela ono što se odmah U BCS teoriji je predloženo stanje materije u kojem elektroni u supravodljivosti očekivalo. Ne primjećuje se nikakva praktična primjena. Međutim, mnogi aspekti tvorei fizike "Cooperove parove" koji doprinose izbjegavanju sudara i interakcije s kemije keramičkih supravodiča su dobro poznati. Mnogi proizvodi zasnovani koje dovodi do električnog To sparivanje elektrona se na metalom tim istraživanjima su u pripremi za izlazakotpora. na tržište. samo kada jepred temperatura dovoljno niskalevitirati tako da su uobičajeni Oviprimjećuje supravodički materijali očima postaju sposobni magnet ili savršeno toplinsko - inducirani pokreti elektrona provoditi struju kad se bace u tekući dušik dovoljno na 77 K. reducirani. Supravodljivost je makroskopski dokaz kvantno-mehaničkih stanja i, kao takav, je U visoko-temperaturnim supravodičima postoji znatna razlika u promatranom ulazna točka u misterij kvantnog svijeta. Supravodiči mogu podnijeti struje gustoće ponašanju kojeodsebakrene po BCSžice! teoriji ne primjećuje. Kao rezultat mnogi i 2000 puta veće Koriste se i u širokom opsegutoga, mikrovalnih teoretski fizičari su mukotrpno radili kako bi objasnili tajproizvoda fenomen. je hlađenje, dok elektroničnih naprava. Najveća zakočnica u širenju takvih je sam vodič od npr. niobia 16 puta jeftiniji.od bakrenog. Kakavgod da jekao taj barijsko-kalcijsko-bakrenog mehanizam, još nije otkrivena jedna2Cateorija bi je Otkriće materijala oksidaniti (HgBa 2Cu3Okoja 8), koji unaprijedjošodredila koji materijali supravodiči kojim očekivanja temperaturama. supravodič na temperaturama iznadsu134 K, podigloi na je razinu od ovih Za sada imamo teorije koje su materijali supravodiči. viša tehnologija. Slika: samo Krio-hlađeni rotorobjasnjavaju sadrži 4 VTSzašto zavojnica, koje omogućuju magnetska polja od konvencionalnih odgovarajućih proizvoda i eliminiraju potrebu za teškim željeznim jezgrama. Prototip VTS motora je završen 2000. Nalazi se na tržištu. 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). 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 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. 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.