1tom094

^ MATERIAŁOZNAWSTWO elektrotechniczne 190

Tablica 5.11 (cd.)

				Temperatura
Rodzaj lutów		Cecha	Skład	topnienia .	Zastosowanie
	cynowo-	LC50	49^50% Sn	183-216	łączy międl mosiądz i stal; lutowanie
	-ołowiowe		reszta Sb		uzwojeń i drobnych części mosiężnych
		LC60	59 -5-61 % Sn	183-190	łączy międl mosiądz i stal: lutowanie
			16-20% Sb		elementów z pokryciami cynowymi, cy-
2			reszta Pb		nowo-ołowiowymi, kadmowymi, cyn-
		LC63	62,5 — 63,5% Sn	183	kowymi i srebrnymi łączy miedź, mosiądz i stal; kąpielowe
			reszta Pb		lutowanie połączeń elektrycznych w cle-
					ktronice, cynowanie końcówek i płytek obwodów' drukowanych
	kadmowe		83% Cd 17% Zn	260	łączy stopy cynku i aluminium
"	brązowe	SBK.31	2.8-3.5% Si	1015	łączy miedź, brąz i stopy niklu; spawa-
			1,0-1,5% Mn		nic elementów przyrządów elektrotech-
			reszta Cu		nicznych
V	miedziane	SMS1	0,5-1,0% Ag	1070	łączy miedź, stal i spieki; spawanie prze-
•o u			reszta Cu		wodów elektrycznych
l	srebrne	LS70	69-471% Ag	7154-770	lutowanie połączeń o malej rezystancji,
			244-26% Cu		wykonanych z niklu, stopów niklu, mic-
3 J			reszta Zn		dzi i stopów miedzi
		LS71F	70,5-71.5% Ag 0.8-1,2% P reszta Cu	645-795	lutowanie styków elektrycznych

5,3. Materiały nadprzewodzące

Zjawisko nadprzewodnictwa przy temperaturze bliskiej 0 K odkryto w rtęci w 1911 r, następnie w innych metalach. Temperatury przejścia metali w stan nadprzewodnictwa podano wtabl. 5.1. Kolejnym etapem było stwierdzenie nadprzewodnictwa w stopach przy nieco wyższych temperaturach, np. dla Nb-Ti przy 9,8 K.

W roku !986 A. Muller i G. Bednorz odkryli nadprzewodnictwo w grupie materiałów ceramicznych o składzie Y-Ba-Cu-O, Bi-Sr-Ca-Cu-O i Ti-Ba-Ca-Cu-O. O właściwościach tvch materiałów decyduje nie tylko skład pierwiastkowy (udział procentowy poszczególnych składników), ale przede wszystkim struktura. Najwyższe temperatury krytyczne przejścia stan nadprzewodnictwa T„ tych materiałów wynoszą odpowiednio: 95 K, llOK i 125 K [5.11]. Są to wartości, które znacznie przekraczają najwyższe temperatury krytyczne w nadprzewodnikach należących do grupy metali i stopów.

Obecnie rozróżnia się dw'ie podstawowe grupy materiałów:

___ nadprzewodniki niskotemperaturowe (Low Temperaturę Super Conductors — w skrócie LTSC), do których jako chłodziwo stosuje się ciekły hel;

^ nadprzewodniki wysokotemperaturowe (High Temperaturę Super Conductors — w skrócie HTSC), których chłodziwem może być ciekły azot.

Zastosowanie ciekłego wodoru (20 K) jako chłodziwa nic jest —jak dotąd    brane pod

uwagę, mimo że temperatury krytyczne niektórych stopów, jak np. Nb-Al-Ge i Nb-Ga przekraczają 20 K.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe są już obecnie wytwarzane w skali laboratoryjnej. Nadprzewodniki niskotemperaturowe są oferowane przez niektóre firmy jako produkty rynkowe.    .

Z grupy nadprzewodników niskotemperaturowych największe zastosowanie znajdują siopy Nb-Ti. Przewody wykonane z tego stopu składają się z wielu włókien (od kilkudziesięciu , jyikuset tysięcy) o średnicy wynoszącej dziesiąte części mikrometra. Włókna są umiesz-pzone w osnowie miedzianej, przy czym każde z włókien jest pokryte cienką warstwą stopu,

najczęściej Cu-Ni-

^J Stop Nb-Ti należy do tzw. nadprzewodników drugiego rodzaju. W nadprzewodnikach tych, oowvżej pewnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego zwanego dolnym natężeniem krytycznym H_ai, występują jednocześnie obszary nadprzewodzące i obszary przewodnictwa normalnego. Wielkościami charakteryzującymi właściwości nadprzewodzące przewodu są: temperatura krytyczna T_a. krytyczna wartość natężenia H_cr lub indukcji zewnętrznego pola magnetycznego B_cr oraz wartość krytyczna gęstości prądu J_cr. Po przekroczeniu H„ lub J_a pomimo obniżenia temperatury poniżej T„, przewód nie da się wprowadzić w stan

nadprzewodnictwa.

Za względu na zależność natężenia pola magnetycznego i gęstości prądu od temperatury, stan nadprzewodnictwa danego przewodu jest określony odpowiednimi charakterystykami. Orientacyjnie są podawane punkty tych charakterystyk. Tak na przykład, dla przewodu składającego się z 14 496 włókien ze stopu Nb-Ti, wykonanego w Laboratorium CGE w Marcoussi (Francja), przy temperaturze ciekłego helu i indukcji stałego pola magnetycznego 0,5 T osiągnięto krytyczną wartość gęstości prądu 20 000 A/mm².

W przewodach przy prądzie przemiennym występują dodatkowe zjawiska wywołujące straty energii (drgania obszarów o normalnym przewodnictwie i prądy wirow^re), które powodują znaczne zmniejszenie gęstości krytycznej prądu. Orientacyjnie przyjmuje się, że dla obecnie produkowanych przewodów wartość ta przy 50 Hz wynosi 2500 A/mm² przy indukcji B = = 0,5 T oraz 1500 A/mm² przy B = 1,0 T.

Gęstości prądu roboczego w przewodach jednak muszą być znacznie mniejsze od wartości krytycznych z uwagi na tzw. degradację. Zjawisko to polega na łańcuchowym procesie przechodzenia ze stanu nadprzewodnictwa w stan przewodzenia normalnego. Stan ten zostaje zapoczątkowany w sposób losowy w jednym punkcie przew^rodu. Prawdopodobieństwo wystąpienia zjawiska degradacji jest tym większe, im dłuższy jest przewód i im większa jest jego średnica. Zmniejszenie tego prawdopodobieństwa osiąga się przez dobór parametrów roboczych przewodu, w tym zwłaszcza gęstości prądu, znacznie niższych od wartości krytycznych.

Mimo niewątpliwie dużych osiągnięć, zarówno w^r inżynierii materiałowej nadprzewodników oraz technologii nadprzewodzących przewodów, jak i doświadczeń z próbnej eksploatacji prototypów kabli, generatorów-' i transformatorów przeważa dziś pogląd, że urządzenia, w których zostanie wykorzystane zjawisko nadprzewodnictwa będą wprowadzane do systemów energetycznych sukcesywnie i nie wcześniej niż w latach 2010-^-2020. Doświadczenia konstrukcyjne i eksploatacyjne z zastosowania nadprzewodników niskotemperaturowych nie dały, jak dotąd, przekonywujących wyników prowadzących do wyboru optymalnych rozwiązań, tak pod względem ekonomicznym, jak i niezawodnościowym.

Pomimo tego, zjawisko nadprzewodnictwa jest już wykorzystywane praktycznie do wytwarzania pól magnetycznych o bardzo dużym natężeniu, w szczególności w aparaturze badawczej.

Odkrycie nadprzewodników wysokotemperaturowych zapoczątkowało nowy cykl badań aplikacyjnych. Podobnie jak w' przypadku nadprzewodników niskotemperaturowych, niezbędne jest ustalenie związków — najczęściej empirycznych — między konstrukcją i techno-logią przewodów wykonanych z tych nadprzewodników a ich zachowaniem się w warunkach eksploatacyjnych.

w zależności od technologii zastosowanej przy wytwarzaniu, nadprzewodniki wysokotem-peraturowe wykazują gęstości krytyczne prądu 10-^100000 A/mm². Zakłada się, że w_przewodach dostosowanych do prądu przemiennego, gęstość krytyczna bedzie ok. 100 A/mm².

Wykorzystanie zjawiska nadprzewodnictwa na szerszą skalę jest spodziewane przede wszystkim w turbogeneratorach. Następnie najprawdopodobniej będą wykonywane urządzenia do magazynowania energii w polu magnetycznym (Superconducting Magnetic Energy yfrage — - w skrócie SMF.S) oraz ograniczniki prądów-- zwarciowych (Current Limiters). ^w tych ostatnich będzie wykorzystywane zjawisko przejścia ze stanu nadprzewodzącego ^w stan przewodzenia normalnego. Nie przewiduje się, ażeby oczekiwane odkrycie nad-