ALIAJE METALICE SUPRACONDUCTOARE

1 Supraconductibilitatea 2 - Materiale supraconductoare si tehnologia lor de obtinere 3 Aplicatiile si Perspectivele utilizarii materialelor supraconductoare

1 Supraconductibilitatea

Rezistena electric a unui material scade monoton odat cu scderea temperaturii. In jurul lui zero absolut multe metale i aliaje sufer o scdere brusc a rezistenei electrice, devenind supraconductoare. Supraconductibilitatea reprezint capacitatea materialelor de a nu opune rezisten curentului electric la temperaturi mai sczute dect temperatura lor critic Tk. Acest fenomen a fost descoperit n 1911 de cercettorul olandez Haike Kamerling-Onnes care studia dispariia rezistenei electrice a mercurului la temperatura de 4,2 K - figura 2.

Figura 1 - Influena temperaturii asupra rezistenei electrice la materialele supraconductoareFigura 2 - Efectul de supraconductibilitate a mercurului n experimentul lui Kamerling-Onnes (1911)

Supraconductibilitatea s-a pus n eviden la majoritatea metalelor pure, fiind o stare care apare mult mai uor n metalele cu o conductibilitate sczut.

Se cunosc n jur de 3000 de aliaje supraconductoare i compui intermetalici, numrul acestora fiind n continu cretere.

Metalele pure sunt considerate supraconductoare de ordinul I, iar aliajele i compuii chimici - supraconductoare de ordinul II.

Cmpul magnetic din volumul supraconductor este nul la temperaturi < Tk. Metalul devine diamagnetic - un material ce se ncarc cu un moment magnetic ntr-un cmp magnetic exterior, orientat mpotriva cmpului de magnetizare.

De aceea, la trecerea materialului n starea supraconductoare, cmpul magnetic interior este respins ("iese) din volumul materialului i rmne doar ntr-un strat subire exterior de grosime ~ 10-8 m.

Acest fenomen se numete efectul Meissner.

Un magnet aflat n levitaie deasupra unui supraconductor rcit n azot lichidDiagrama efectului Meissner liniile cmpului magnetic, reprezentate sub form de sgei, sunt respinse de un supraconductor, cnd acesta se afl sub temperatura sa critic.

Concluzie: Supraconductibilitatea este fenomenul ce apare in anumite materiale la temperaturi foarte scazute, fiind caracterizat de : 1 rezistenta electrica ZERO2 respingerea campului magnetic interior (efectul Meissner) Intr-un conductor obisnuit, cum este Cu sau Ag, rezistenta electrica nu poate atinge valoarea ZERO, ci doar o limita minima foarte scazuta, datorita impuritatilor sau a defectelor de retea. Chiar si in jurul valorii de ZERO absolut, o proba de Cu nu indica o rezistenta electrica nula. Intr-un supraconductor, chiar daca are impuritati sau defecte, are o rezistenta electrica nula daca este racit < Tk. Curentul electric dintr-un fir supraconductor poate fi permanent fara nici o sursa de putere.

Intr-un conductor obisnuit, curentul electric reprezinta un flux de electroni ce se deplaseaza prin reteaua de ioni. Electronii se ciocnesc constant cu ionii din retea; prin fiecare coliziune o parte din energia curentului de electroni este absorbita de reteaua de ioni si transformata in caldura, care reprezinta de fapt energia de vibratie a ionilor din retea. Astfel, energia curentului de electroni este disipata constant, fenomen ce reprezinta de fapt rezistenta electrica.

Intr-un supraconductor situatia este complet diferita. Fluxul de electroni nu poate fi judecat ca electroni individuali, ci ca perechi de electroni, numite perechi Cooper. ( Electronii liberi inceteaza sa interactioneze cu ionii retelei cristaline incepand sa interactioneze intre ei: electronii cu spini opusi se unesc in perechi rezultand un moment de spin nul)

Perechile de electroni cu spin nul NU isi disipeaza energia, deoarece energia fononilor pe care aceste perechi o pot primi in urma interactiunii cu acestia, sau cu defectele de retea la temperaturi criogenice, este prea mica. Fara disipare de energie, perechile de electroni cu spin nul se deplaseaza liber de-a lungul retelei cristaline, ceea ce duce de fapt la aparitia supraconductibilitatii. Astfel, fluidul de perechi Cooper reprezinta un superfluid, care poate curge fara disipare de energie.

Supraconductivitatea nu apare in metale nobile precum Au si Ag, sau in probe pure ale metalelor feromagnetice.Temperatura critica:Element Tc [K]:Al 1.20 K Ta 4.48 KHg 4.15 K Ti 0.39 KMo 0.92 K V 5.30 KNb 9.26 K Zn 0.88 KPb 7.19 K

Valoarea temperaturii critice Tc variaza de la material la material. Supraconductorii conventionali au Tc intre 1 20 K. Mercurul solid are Tc = 4,2 K In anul 2001, printre primii compusi chimici supraconductori conventionali descoperiti a fost MgB2 diborid de magneziu, cu Tc = 39 K , cea mai mare temperatura cunoscuta la acea vreme. Supraconductorii pe baza de cuprati (anii 2000) se pare ca au cele mai mari Tc:

YBa2Cu3O7 - Primul supraconductor descoperit din aceasta categorie are Tc = 92 K(cunoscut sub denumirea de supraconductor ceramic YBCO ytriu-bariu-cupru-oxid)

Clasificarea supraconductorilor:

Dupa Tc temperatura critica:

Supraconductori de temperatura inalta se considera acele materiale care au Tc > 77 K (temperatura de lichefiere a azotului) si care ating starea de supraconductibilitate prin racirea cu azot lichid

Supraconductori de temperatura joasa acele materiale care necesita medii de racire mai puternice decat azotul lichid

Dupa material:

- Elemente chimice (mercur, plumb, etc.) Aliaje - Nb-Ti (Tc = 11 K), Ge-Nb, etc. Ceramice (MgB2, YBCO, etc.) superconductori organici (fulerene, nanotuburi de carbon, care pot fi incluse la categoria de elemente pure pt ca sunt de fapt din carbon)

Dupa proprietati fizice:

Supraconductori de tip I elemente chimice Supraconductori de tip II aliaje, ceramice, Nb, V

Superconductori de temperatura inalta:

Pana in 1986, fizicienii credeau ca supraconductivitatea nu poate sa se manifeste la temperaturi > 30 K.

In 1986, Bednorz si Mller au descoperit supraconductivitate intr-un material ceramic bazat pe Cu si La, cu o temperatura de tranzitie de Tc = 35 K. (pentru care au primit Premiul Nobel pt fizica in 1987).

In 1987, M.K. Wu a descoperit ca prin inlocuirea La cu Ytriu, adica obtinand materialul cunoscut sub denumirea de YBCO Ytriu-Bariu-Cupru-oxid , temperatura critica a crescut pana la 92 K pas important se poate folosi racirea cu azot lichid, care are Tc = 77 K solutie comerciala accesibila pret scazut

In 1993, s-a descoperit un alt supraconductor de temperatura inalta cu Tc = 138 K un material ceramic ce contine, Taliu, Hg, Cu, Ba, Ca, O.

In feb. 2008, Hideo Hosono de la Institutul de Tehnologie din Tokyo, a descoperit un alt supraconductor pe baza de Fe din familia compusului - (LaO1-xFxFeAs), care devine supraconductor sub 43 K. Prin inlucuirea La cu alte elemente rare precum Ce, Samarium, Neodynium, Praseodynium, temperatura creste la 52 K.

Supraconductori de tip I prezinta o singura temperatura critica la care materialul devine supraconductor; se manifesta efectul Meissner.Sunt de regula elemente chimice pure, precum Al, Pb, Hg.

Supraconductori de tip II prezinta o tranzitie graduala de la supraconductibilitate la starea normala intr-un camp magnetic crescator. In general, acestia prezinta supraconductibilitate la temperaturi si campuri magnetice mai mari decat supraconductorii de tip I. Sunt de regula aliaje sau ceramice (cum sunt cele descoperite in anul 2008 oxizi ceramici complecsi pe baza de cupru). Desi majoritatea elementelor chimice sunt supraconductori de tip I, Niobiul, Vanadiul si Technetium sunt supraconductori de tip II. Alte ex.: Nb Ti, Nb Sn, La1.85Ba0.15CuO4, YBCO (Ytriu Bariu Cupru Oxid) primul supraconductor descoperit cu temperatura mai mare decat cea a azotului lichid, Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O125 (supraconductorul cu temperatura cea mai ridicata cunoscuta 139 K) (Mercur Thalium Bariu Calciu Cupru - Oxid )

2 - Materiale supraconductoare si tehnologia lor de obtinereAliajele si compusii pe baza de Nb trec in starea supraconductoare la temperaturi relativ ridicate. pot suporta campuri magnetice destul de puternice (~ 2 T) si se caracterizeaza printr-o densitate de curent inalta (2-10 kA / mm2)

Aliajul Nb-46,5%gr.Ti

- Face parte din categoria celor mai raspandite materiale supraconductoare. - Se caracterizeaza prin tehnologii de fabricare complexe.- Compusii intermetalici, desi prezinta parametri critici mai ridicati, sunt foarte fragili, fapt ce ingreuneaza prelucrarea acestora in cabluri lungi prin metodele traditionale metalurgice.- Pentru a obtine un cablu supraconductor, intr-o bara de cupru se practica o multitudine de orificii in care se introduc miezuri foarte mici de Nb-Ti. Bara se lamineaza in sarma subtire care este taiata in bucati scurte si din nou introduse in noi bare de cupru. Repetand de mai multe ori aceasta operatie, se obtine un cablu cu un numar foarte mare de intarsuri supraconductoare, cabluri din care se confectioneaza electromagnetii - figura slide-ul urmator.

- Daca intr-un intars se distruge fenomenul de supraconductibilitate, conductibilitatea electrica si termica mare a matricei de cupru ofera posibilitatea unei stabilizari termice a supraconductorului intr-un regim subcritic.Sectiune transversala a unui compozit supraconductor cu 361 de intarsuri din Nb-Ti intr-o matrice de cupru

2. Compusul supraconductor Nb3SnUtilizarea compusilor intermetalici fragili ingreuneaza simtitor fabricarea cablurilor. Cabluri Nb3Sn tehnica bronzului - bazata pe difuzia selectiva din faza solida:Fibre subtiri de niobiu plastic sunt presate intr-o matrice din bronz cu 10 - 13% Sn. Dupa multiple trefilari si presari, cu recoaceri intermediare si tratamente termice ulterioare, are loc difuzia staniului in niobiu si formarea la suprafata acestuia a unei pelicule subtiri de Nb3Sn. Datorita unei solubilitati foarte scazute, cuprul practic nu difuzeaza in niobiu. Sarmele obtinute prin aceasta tehnica sunt suficient de plastice, putand fi impletite in cabluri, nedistrugandu-se peliculele de Nb3Sn. Schema tehnicii bronzului de obtinere a cablurilor cu multiple intarsuri de Nb3Sn: a) introducerea intarsului, trefilarea si recoacerea; b) tratamentul termic

3. Oxizi ceramici supraconductori de temperatura inalta In 1986 - fizicienii elvetieni G. Bednortz si K. Muller au obtinut pentru prima data probe din oxizi ceramici cu proprietati supraconductoare din sistemul La-Ba-Cu-O, avand temperatura de trecere la supraconductibilitate de Tk = 35 K. Ulterior, in Japonia, Rusia si SUA, s-au obtinut ceramice supraconductoare cu ytriu din sistemul Y-Ba-Cu-O (YBCO), avand o temperatura critica Tk ~ 90 K, material care a oferit posibilitatea utilizarii azotului lichid ca agent de racire, cu mult mai ieftin.

Ceramica pe baza de oxid de cupru cu oxizi de strontiu, bismut si elemente alcalino-pamantoase, cum ar fi de exemplu 2SrO.CaO.Bi2O3.2CuO, prezinta o temperatura critica Tk si mai mare - pana la 100-115 K.

La ora actuala, se cunosc deja o serie intreaga de materiale ceramice cu temperaturi critice Tk = 250 K sau chiar egale cu temperatura camerei. Din pacate, dintre acestea, numeroase materiale sunt instabile si prezinta fragilitate mecanica ridicata.

Dinamica obtinerii de materiale supraconductoare: A materiale metalice; B materiale ceramice;

3 Aplicatiile si perspectivele utilizarii materialelor supraconductoare- Productia de magnetometre (SQUID)- Circuite digitale - Electromagneti de inalta putere utilizati pentru trenurile maglev, imagistica prin rezonanta magnetica - MRI (Magnetic Resonance Imaging), rezonanta magnetica nucleara NMR, magneti pentru acceleratori de particule Magneti de control pentru acceleratoare de particule si reactoare nucleare (tokamak) Cabluri de putere Filtre de microunde si frecvente radio (in telefonia mobila) dispozitive electro-magnetice pentru industria militara de armament

Productia de magnetometre (SQUID)

Magnetii supraconductori sunt cei mai puternici electro-magneti cunoscuti.Sunt utilizati in MRI, NMR, acceleratoare de particule.Pot fi utilizati pentru separarea magnetica a unor particule magnetice dintr-o masa de particule non-magnetice (de ex. in industria pigmentilor).

Magnetometrul este un instrument ce poate masura rezistenta si/sau directia unui camp magnetic din apropiere (Campul magnetic terestru poate varia in functie de natura diferita a rocilor, sau in urma interactiunii dintre particulele incarcate de energie solara si magnetosfera terestra).

Magnetometrul SQUID (superconducting quantum interference devices) masoara campuri magnetice extrem de mici, cum sunt cele produse de creier (magneto-encefalografie) sau de inima (magneto-cardiografie). Sunt dispozitive ce necesita racire cu heliu sau azot lichid si protectie deosebita termo-mecanica si magnetica.

- Circuite digitaleDescoperirea supraconductibilitatii a facut posibila dezvoltarea tehnologiei circuitelor digitale RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), care utilizeaza jonctiunile Josephson in locul tranzistorilor. Recent, s-au facut pasi importanti in construirea de sisteme optice de computing, capabile sa proceseze informatia digitala utilizand elemente optice nonlineare.

- Acceleratoare de particuleLa CERN Centrul European de Cercetari Nucleare din Geneva, Elvetia:LEP Large Electron-Positron Collider (209 GeV / particula); utilizat intre anii 1989-2000LHC Large Hadron Collider (574 TeV / particula); pus in functiune in anul 2008

- Trenuri maglev (magnetic levitation)Tren maglev din Shanghai- In serviciul public din 1 ianuarie 2004. La testarea din 12 Noiembrie 2006, trenul maglev a atins recordul maxim din China de 501km/h. Recordul maxim al unui tren maglev este de 581 km/h, atins in Japonia in 2003

Tehnologia cu suspensie electro-magnetica (EMS)

Exista 3 tipuri principale de tehnologii maglev:Cu suspensie electro-magnetica (EMS electromagnetic suspension) ce utilizeaza o forta magnetica de atractie a unui magnet de sub sina de cale ferata pentru a ridica trenul. Astfel, trenul leviteaza deasupra caii ferate, in timp ce electromagnetii atasati trenului sunt orientati catre sina pe la partea inferioara. Electromagnetii utilizeaza un feedback control pentru a mentine trenul la o distanta constanta fata de calea de rulare, de aprox. 15 mm. (vezi fig. anterioara). cu suspensie electro-dinamica (EDS electrodinamic suspension) utilizeaza o forta de respingere dintre doua campuri magnetice pentru a impinge trenul deasupra caii de rulare. In aceasta tehnologie, atat calea de rulare cat si trenul exercita un camp magnetic, trenul levitand prin forta de respingere dintre cele doua campuri magnetice induse. cu suspensie prin magneti permanenti stabilizati (SPM stabilized permanent magnet suspension) care utilizeaza campuri opuse de magneti permanenti pentru a obtine levitatia trenului.

Tehnologia cu suspensie electro-dinamica (EDS)