Способ выявления "размерного эффекта" в криорезистивных проводниках
Патент 741717
Авторы
Классы МПК
Способ выявления "размерного эффекта" в криорезистивных проводниках
Иллюстрации
Реферат
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ РАЗЖРНОГО ЭФФЕКТА В КРИОРЕЗИСТИВНЫХ ПРОВОДНИКАХ , преимущественно прямоугольно;го сечения со сторонами разной дЛины , включающий измерение в криогенI ных условиях электросопротивления :проводников и сопоставление результатов , отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений,по;вышения их точности и выбора наиболее рациональной формы и размеров провод .ника, проводник помещают в криостат во внешнее поперечное поле с напряженностью , равной рабочей напряженности для проводника, затем последовательно измеряют и сравнивают его электросопротивление при разной ориентации сторон разной длины относительно направления магнитного поля, и по разнице значений измеренных сопротивлений судят о наличии и степени проявления размерного эффекта.
СОЮЗ СОНЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (g1)g H 01 ? 39/24
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К Д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ТТт\ТТЧГ . ТЪЛЙттЧ Отттл лттт.ттт т т- r
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 2686304/18-25 (22) 10,11.78 (46) 30.10.90. Бюл. К - 40 (72) P.À.Глиник, В.И.Гостищев и В.Н.Хазов (53) 621,326 (088.8) (56) Александров Б,Н.Влияние размеров образцов чистых металлов на их электросопротивление. ЖЭ.ТФ, 43,2(8), . с.399, 1962.
Hamubal W.D. Ibe G. Prundt Н.
Rentep W, Winkhans G. Aluminium
hochster Reinheit — Herstellung, Verarbeitung und Eigeuschaften, Mitteilung aua dern Leichtmetall—
РогзсЬипдв1пзйхйис deri VAW Vereinig.te А1ипппйьш — Werke, А.G., 3onn. (54)(57) СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ "РАЗИЕРНОГО ЭФФЕКТА" В КРИОРЕЗИСТИВНЫК ПРОВОДНИКАХ, преимущественно прямоугольноИзобретение относится к электро-,. технике, в частности к конструированию высокоэффективных криогенных обмоток возбуждения электромагнитов: и электромашин на основе криорезистивных (гиперпроводящих) проводников .(выполняемых из высокочистых метал. лов), преимущественно из сверхчисто:го алюминия.
При создании мощных электромагнитных устройств — электродвигателей,,электрогенераторов, электромагнитов
;ускорителей элементарных частиц,,:.электромагнитов ИГД-генераторов и термоядерных реакторов и т.п, пднгпокти ктм гпnr обем ътмоит тоятта
ÄÄSUÄÄ 741717 А1
: го сечения со сторонами разной дйины, включающий измерение в криоген, ных условиях электросопротивления
;проводников и сопоставление резуль— татов, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений,по вьппения их точности и выбора наиболее рациональной формы и размеров провод.ника, проводник помещают в криостат во внешнее поперечное поле с напряженностью, равной рабочей напряжен— ности для проводника, затем последовательно измеряют и сравнивают его электросопротивление при разной ориентации сторон разной длины относительно направления магнитного поля, и по разнице значений измеренных сопротивлений судят о наличии и степени проявления размерного эффекта. размеров обмоток возбуждения и снижения энергозатрат на их питание .является использование для их изготовления гиперпроводящих (высокочистых) металлов, электросопротивлет ние которых в условиях охлаждения
° жидким гелием или водородом может быть снижено по сравнению с обычными проводниками — медью, алюминием в несколько тысяч (и даже десятков, тысяч) раз. При этом возможность их применения в широком диапазоне криогенных температур, отсутствие кри.тических ограничений по плотности рабочего тока и внешнего магнитного
741717 торного облучения, в сочетании со значительно более низкой стоимостью выгодно отличают такие металлы от .существующих сверхпроводников.
Среди таких материалов по совокуг ности достоинств — высокой проводимости„ низкому удельному весу, малому магнитосопротивлению, технологич-: ности, сравнительной дешевизне и дос- тупности — наибольший практический .,интерес представляет высокочистый .(сверхчистый) алюминий, имеющий чис
:тоту 99,999Х и удельное электросопро ." .:тивление в слитке в состоянии постав ки при температуре жидкого гелия, Р с 4 "10 юОм
Наиболее характерной особенностью высокочистых металлов, определяющей их исключительные электропроводящие
:свойства в криогенных условиях, явля" ется весьма большая длина свободного пробега электронов проводимости, достигающая единиц миллиметра. Это является следствием значительнОго снижения рассеяния электронов на при" месях (благодаря высокой чистоте их содержание крайне незначительно) и собственных атомах и ионах (колебания которых подавлены глубоким охлаждением) и высокого совершенства структуры проводника (за счет отжига структурных дефектов).
Вместе с тем возрастание длины свободного пробега электронов приводит
35 к возникновению в проводниках из высокочистых металлов так называемого размерного эффекта", — влияния поверхности проводников на их среднее объемное электросопротивление: в слу". чае, когда поперечные линейные pas e . ры проводника меньше или рав.ны длине свободного пробега, количество электронов, сталкиваю щихся с поверхностью и тормо" зящихся вследствие этого, становится соизмеримым с общим количест" вом электронов проводимости и тогда при неправильном выборе размеров проводника его электропроводность оказывается ниже потенциально возможной для данного металла. Очевидно, что
"размерный эффект" полностью отсутст-
1 вует в проводниках бесконечно больших размеров и сильнее всего должен проявляться в проводниках малого попереч- ного сечения (практически он сущест-. вен уже при уменьшении диаметра проводника до 1-3 мм).
Поскольку все практически используемые проводники имеют ограниченное сечение, а высокие проводящие свойства высокочистых металлов позволяют передавать исключительно большие токи по проводникам крайне малого сечения (например, возможно обеспечение работоспособности проводников из алюминия А999 при плотностях тока до
1000 А/мм и более), то встает вопрос
2 о правильном выборе сечения проводника (его площади и линейных размеров сечения), чтобы при этом„с одной ,стороны, не оказались искусственно заниженными свойства самого проводникового металла, а с другой не были завышены размеры проводника, что
:затруднит" подбор источника электропитания (большинство которых рассчитаны на генерирование токов порядка
0,1-10 кА). Вопрос этот весьма актуален, поскольку уже в настоящее время ,возможно промьппленное получение алю:миния чистотой 99,999Х с относительным остаточным электросопротивлением
Р 293/Р (показывающим степень снижения электросапротивления металла при его охлаждении от нормальной—
293 К до гелиевой " 4,2 К температуры), достигающим 50000-60000 крат, когда длина свободного пробега электронов приближается к 10 и более миллиметрам.
Возможны два пути решения этой проблемы.
Во-первых, можно пытаться чисто ,теоретическим путем рассчитать "размерный эффект в проводнике данного размера из определенного металла и затем выбрать оптимальный (или по крайней мере приемлемый) вариант.Одкако, в настоящее время этот путь практически нереален из-за трудностей расчета и отсуствия нацежной общепризнанной теории "размерного эфИ фекта и ограниченного и приближенного характера ряда имеющихся теорий.
Возможен также метод прямого экспериментального определения "размерного эффекта" по измерениям фактических значений удельного сопротивления серии цилиндрических образцов разного диаметра, но его точность прямо определяется степенью адекватности всех образцов серии. Если учесть сильную зависимость электросопротивления алюминия от температуры, наличия магнитного поля, величины измерительного тока, структуры и степени дефектности металла образцов (которую как-то оценить или проконтролировать практически невозможно), наличия и характера примесей, методические измерительные погрешностей, связанные с неправильным выбором материала, размера и места установки на образцах токовых и потенциальных проводов, то становится понятной сложность выявления "размерного эффекта" таким путем.
Положение неизмеримо усложняется, если рассматривать проводники сложного, например, прямоугольного, сечения, наиболее подходящие для изготов-. ления высокоэффективных обмоток (изза воэможности обеспечения высоких коэффициентов заполнения по проводниковому металлу и простоты силового бандажирования, без чего ис -.ользование высокочистых металлов, имеющих невысокую механическую прочность,невозможно), и принять во внимание,что в рабочих условиях на проводники всегда действует магнитное поле,оказывающее существенное и при этом нелинейное влияние на их характеристики; в реальном производстве трудно также контролировать технологическую .предысторию проводника, определяющую ухудшение его первоначально упорядоченной структуры, в связи с чем рекомендации, выводимые по результатам испытаний искусственных лабораторных образцов, для практики могут иметь лишь качественную ценность.
Целью изобретения является упро- щение измерений, повышение их точности и усовершенствование выбора наиболее рациональной формы и размеров проводников.
Данная цель достигается тем,что проводник помещают в криостат во внешнее поперечное магнитное поле с напряженностью, равной рабочей напряженности проводника, затем последовательно измеряют и сравнивают его электросопротивление при .разной ориентации сторон разной длины относительно направления магнитного поля, а по разнице значений измеренных сопротивлений судят о наличии и степе ни проявления "размерного эффекта".
Достоинствами данного метода является то, что оба сравниваемых измерения проводятся на одном и том же образце, чем обеспечивается полная
1?17 вия работы исследуемого проводника в изделии; сокращается количество необходимых замеров; появляется возмож10 „ ность исследовать на проявления
"размерного эффекта" образцы с раз=
25 поперечного магнитного поля (некото рые из полученных графиков приведены на фиг.1), что гозволпло произвести
55
50 идентичность условий их проведения и соответственно их точность и надежность; "размернйй эффект определяется непосредственно в условиях,воспроизводящих в наибольшей степени услоличной степенью дефектности структуры, так как отпадает необходимость в обязательном глубоком отжиге образцов для обеспечения адекватности.
Опробование данного метода в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР (г.Иинск) позвопило в течение короткого времени, установить наличие и степень проявления размерного эффекта в проводниках различного сечения из алюминия особой чистоты А999 с различным фактическим содержанием примесей и характером структуры в широком диапазоне значений напряженности внешнего обоснованный выбор наиболее рациональной формы и размеров проводника.
Так, например, четко показана нецелесообразность использования фольгообразных проводников (верхняя пара кривых), поскольку их фактическое сопротивление определяется не столько сопротивлением самого металла, сколько неудачным выбором поперечных размеров (для одного и того же образца в положении "широ. «я сторона перпендикулярна полю" — 1.сопротивление в полтора — два раза вьппе, чем в положении широкая сторона параллельна полю" — и ) . Вместе с тем видно,что заметный по величине "размерный эф.фект" имеет место и в достаточно
"массивных" образцах — толщиной 0,5 и даже 1,1 мм (нижние пары кривых), что указывает на целесообразность дальнейшего увеличения толщины проводников.
Важным побочным результатом этого исследования является -.àêæå и вы- вод о том, что при намотке обмоток возбуждения всегда более рационально располагать проводник "на короткую сторону" ("на ребро"), т.е. так,что" бы его длинная боковая сторона была
741717 параллельна вектору напряженности магнитного поля в обмотке. фф)мi
Составитель В.Кручинкина
Техред Л.Олийнык
Редактор С.Титова
Корректор В.Гирняк
Заказ 4352 Тираж 441 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва„ Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101
Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить, ускорить и повысить надежность выявления "размерного эффекта" в криорезистивных проводниках и тем самым обеспечить
4 возможность рационапьного выбора сечения проводника, в наибольшей степени использовать потенциальные возможности исходного металла. В результате его применения создаются условия для изготовления высокоэффективных электромашин с криореэистивными обмотками возбуждения.