Править] Свойства сверхпроводников
Править] Фазовый переход в сверхпроводящее состояние
Переход вещества в сверхпроводящее состояние сопровождается изменением его тепловых свойств. Однако, это изменение зависит от рода рассматриваемых сверхпроводников. Так, для сверхпроводников рода в отсутствие магнитного поля теплота перехода (поглощения или выделения) из сверхпроводящего состояния в обычное равна нулю, а следовательно терпит скачок теплоёмкость, что характерно для фазового перехода рода.
Править] Эффект Мейсснера
Основная статья: Эффект Мейсснера
Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейсснера, заключающийся в выталкивании сверхпроводником магнитного потока rotB = 0 . Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположнонаправленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.
Править] Таблица сверхпроводников
Ниже представлена таблица, в которой перечислены некоторые сверхпроводники и характерные значения критической температуры и предельного магнитного поля для них.
| Название материала | Критическая температура Tc, К | Критическое поле Hc, Тл | Год опубликования обнаружения сверхпроводимости |
| Сверхпроводники I рода | |||
| Pb (свинец) | 7,26[3] | 0,08[4] | 1913[3] |
| Sn (олово) | 3,69[3] | 0,031[4] | 1913[3] |
| Ta (тантал) | 4,38[3] | 0,083[4] | 1928[3] |
| Al (алюминий) | 1,18[3] | 0,01[4] | 1933[3] |
| Zn (цинк) | 0,88[4] | 0,0053[4] | |
| W (вольфрам) | 0,01[4] | 0,0001[4] | |
| Nb (ниобий) | 9,20[3] | 0,4[4] | 1930[3] |
| Сверхпроводники 1.5 рода | |||
| Ведутся поиски по теоретической модели[5] | |||
| Сверхпроводники II рода | |||
| V3Ga | 14,5[4] | >35[4] | |
| Nb3Sn | 18,0[4] | >25[4] | |
| (Nb3Al)4Ge | 20,0[4] | ||
| Nb3Ge | 23[4] | ||
| GeTe | 0,17[4] | 0,013[4] | |
| SrTiO3 | 0,2—0,4[4] | >60[4] | |
| MgB2 | ? |
13ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТНЫХ СПЛАВАХ
В зависимости от знака и степени магнитной восприимчивости материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются противоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд непереходных металлов, таких как Be, Cu, Ag, Pb.
Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся K, Na, Al, a также такие переходные металлы, как Mo, W, Ti.
Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре — железо, кобальт, никель и гадолиний — обладают высокими ферромагнитными свойствами.
Площадь внутри гистерезисной петли ферромагнетика характеризует энергетические потери на гистерезис или перемагничивание.
Для ферромагнитных материалов основными характеристиками являются остаточная индукция Вr,коэрцитивная сила Hс и магнитная проницаемость = В/Н. Остаточной индукцией, измеряемой в теслах (1 Тл = 104 Гс), называют магнитную индукцию, остающуюся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля. Коэрцитивной силой, измеряемой в А/м, называют напряженность магнитного поля обратного знака, которая должна быть приложена к образцу для его размагничивания. Магнитная проницаемость , измеряемая в Генри на метр [1 Г/м = (107/4) Гс/Э], характеризует интенсивность намагничивания и определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания В = f(H).
В зависимости от формы гистерезисной кривой и значений основных магнитных характеристик, различают магнитотвердые и магнитомягкие сплавы. Магнитотвердые сплавы (рис. 22.1, а) характеризуются широкой петлей гистерезиса, высоким значением коэрцитивной силы Hc и применяются для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие сплавы работают в условиях циклически изменяющихся магнитных полей и непрерывного перемагничивания. Они, наоборот, имеют узкую петлю гистерезиса, малые значения Нс и характеризуются небольшими потерями на гистерезис (рис. 22.1, б). Из них изготавливают сердечники трансформаторов, электродвигателей и генераторов, детали слаботочной техники, т. е. такие изделия, которые подвергаются многократному переменному намагничиванию.
Рис. 22.1.Зависимость магнитной индукции В
от напряженности магнитного поля Н:
а) магнитотвердые материалы; б) магнитомягкие материалы; 1 — первичная кривая намагничивания;
2 — гистерезисная кривая намагничивания
МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Эта группа материалов должна обладать высокими значениями коэрцитивной силы и остаточной индукции и сохранять высокий уровень этих свойств в течение длительного времени.
Условно к магнитотвердым материалам (высококоэрцитивным) относят материалы Hc 4 кА/м. Изделия из магнитотвердых материалов работают в магнитной цепи, включающей воздушный зазор и магнитопровод из магнитомягкого материала. Благодаря наличию воздушного зазора образуются свободные магнитные полюса и размагничивающее поле, в котором находится магнитотвердый материал.
Для полной характеристики магнитнотвердого материала необходимо знать остаточную индукцию Вr, коэрцитивную силу Нс и величину (BH)max.
Остаточная индукция определяет магнитный поток, создаваемый магнитнотвердым материалом в магнитной цепи, коэрцитивная сила — сопротивляемость данного материала воздействию собственного размагничивающего поля и внешних размагничивающих полей, a произведение (BH)max — энергию магнитного поля в материале.
Материалы для постоянных магнитов обычно изготавливают литьем или методами порошковой металлургии.
Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали со структурой мартенсита, содержащие около 1 % С, дополнительно легированные хромом (3 %) — ЕХ3, а также одновременно хромом и кобальтом —·ЕХ5К5, EX9K15M2. Например, сталь ЕХ6К6 содержит 1 % С, 6 % Сr и 6 % Co. Легирующие элементы повышают магнитные характеристики, одновременно улучшая механическую и температурную стабильность постоянных магнитов. Эти стали подвергают нормализации, закалке и низкому отпуску.
Высокие магнитные свойства имеют сплавы на основе Fe—Ni—Al и Fe—Ni—Al—Co с добавкой 2–4 % Cu. Иногда их называют сплавами типа «альнико». В маркировке этих сплавов присутствуют те же буквы, что и в маркировке сталей. Химический состав и магнитные свойства ряда литых сплавов для постоянных магнитов приведены в табл. 22.1.
Сплавы этой системы подвергают термомагнитной обработке, которая состоит из нагрева до 1280–1300 °С, выдержки при этой температуре для получения однофазного состояния, быстрого охлаждения до 900 °С с последующим медленным охлаждением в магнитном поле с Hc = 160–280 кА/м. Затем проводится отпуск при 560–630 °С, длительность которого определяется маркой сплава. В процессе охлаждения при 900–650 °С в магнитном поле анизотропные по форме выделившиеся частицы фазы с высоким магнитным насыщением располагаются своей длинной осью в направлении, параллельном вектору напряженности магнитного поля.
Taблицa 22.1
Химический состав и магнитные свойства некоторых литых сплавов
типа «альнико» для постоянных магнитов (ГОСТ 17809–72)
| Сплав* | Содержание элемента, % | Магнитные свойства (не менее) | ||||||
| Ni | Аl | Co | Cu | Другие элементы | (BH)max, кДж/м3 | Hс,кА/м | Br,Тл | |
| ЮНДК131Т3БА | 13–15 | 6,8–7,2 | 30,5–31,5 | 3,0–3,5 | 3–3,5 Ti; 0,9–1,1 Nb | 1,15 | ||
| ЮНДК40Т8АА | 14–14,5 | 7,2–7,7 | 39–40,6 | 3–4 | 7–8 Ti 0,1–0,2 Si | 0,9 | ||
| ЮНДК35Т5БА | 14–14,5 | 6,8–7,2 | 34,5–35,5 | 3,3–3,7 | 0,8–1,1 Nb; 4,7–4,5 Ti | 1,02 | ||
| ЮНДК35Т5АА | 14–14,5 | 7–7,5 | 34–35 | 2,5–3,0 | 5,0–5,5 Ti; 0,1–0,2 Si | 1,05 |
* Буквы «БА» означают, что сплавы имеют столбчатую структуру, а буквы «АА» — монокристаллическую структуру.
Для изготовления небольших и точных по размерам магнитов из сплавов типа «альнико» применяют методы порошковой металлургии. По составу спеченные сплавы близки к литым, они легче обрабатываются, но по магнитным свойствам несколько им уступают.
Очень хорошие, но дорогие магниты изготовляют из сплавов с высоким содержанием кобальта, составляющего 25–50 %. Эти сплавы известны под названием «пермендур» (50 % Fe, 50 % Co), «перминвар» (45 % Ni, 25 % Co, 23 % Fe). Их обычно легируют небольшими добавками Мо, V или Сr. Недавно разработанный сплав гиперко 5-HS содержит 2 % V, 48,5 % Co, остальное — железо.
Сплавы системы Fe—Cr—Co по своим магнитным свойствам близки к сплавам типа «альнико», но обладают более высокими механическими свойствами и деформируются не только в горячем, но и в холодном состоянии. Сплавы подвергают закалке при 950–1000 °С, холодной прокатке и старению при 600 °С. Магнитные свойства сплавов системы Fe—Cr—Co представлены в табл. 22.2.
Таблица 22.2