WO2009008772A1 - Проводник электрического тока и способ его изготовления - Google Patents

Проводник электрического тока и способ его изготовления Download PDF

Info

Publication number
WO2009008772A1
WO2009008772A1 PCT/RU2008/000431 RU2008000431W WO2009008772A1 WO 2009008772 A1 WO2009008772 A1 WO 2009008772A1 RU 2008000431 W RU2008000431 W RU 2008000431W WO 2009008772 A1 WO2009008772 A1 WO 2009008772A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
elements
sample
resistance
series
current
Prior art date
Application number
PCT/RU2008/000431
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bronya Tsoi
Valentin Vladimirovich Shevelev
Tatyana Sergeevna Tsoi
Original Assignee
Bronya Tsoi
Shevelev Valentin Vladimirovic
Tatyana Sergeevna Tsoi
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bronya Tsoi, Shevelev Valentin Vladimirovic, Tatyana Sergeevna Tsoi filed Critical Bronya Tsoi
Priority to EP08794049A priority Critical patent/EP2169688A1/en
Priority to EA201000143A priority patent/EA016988B1/ru
Publication of WO2009008772A1 publication Critical patent/WO2009008772A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B12/00—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines
    • H01B12/02—Superconductive or hyperconductive conductors, cables, or transmission lines characterised by their form
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to electric current conductors, in particular having low and ultra-low resistance values in a wide range of operating temperatures, to superconductors.
  • classical electric current conductors from such chemical elements as copper, gold, silver, platinum, magnesium, aluminum, iron, etc. are widely known.
  • the conductors of them operate in ordinary high-temperature conditions (273 K and higher), but their significant disadvantage is the high resistance to the passage of electric current, in particular, the electrical resistivity of classical conductors is from 1.55 • 10 '8 to 1.12-10 "6 Ohm m (at 293 K).
  • High resistance values, large spread and instability of their values in real conditions from sample to sample cause significant losses of electricity in the circuits using the indicated classical conductors s.
  • the reduction and stabilization of the resistance can be, in particular, solved by the use of superconducting materials, which are characterized by an abrupt anomalous drop, stabilization and elimination of the spread of the resistance value to almost zero under certain conditions.
  • the term “superconductor” refers to a conductor with a practically zero value of electrical resistance, when the conductivity, i.e. the reciprocal of resistance is of infinitely large value. In the absence of a magnetic field inside the conductor, they are called superconductors of the second kind.
  • Ultra-low values of electrical resistance along with a zero value with no less success can be used in modern technology, industry and electronics.
  • Licendrats are known [Big Encyclopedic Dictionary Polytechnic. Moscow: ed. "Bolyapaya Russian Encyclopedia)), 1998. S. 204-205], which are twisted insulated and bundled N conductors that are soldered into a parallel circuit by two opposite current electrodes. Licentrates have a relatively low resistivity and are used to combat Foucault currents. However, they, despite the large number N of core elements in their composition and the parallel current circuit, still do not reach resistance values sufficiently close to or equal to zero.
  • the closest analogue of the claimed invention is a multilayer material formed on a substrate containing a plurality of layers forming a charge accumulator forming a superconducting zone with CuO 2 and with several monomolecular film layers superimposed on one another from materials selected from the group consisting of Bi Bismuth , mercury Hg, Thallium Tl and copper Cu, wherein said charge accumulator and superconducting zone are adjacent to each other in a dense packet of layers, characterized in that the number of layers represents Loe number not less than 4, and sealing material layers have the chemical formula Cai. ⁇ M ⁇ etc. [Patent RU 2131157 Cl, 05/27/1999].
  • the disadvantage of this multilayer material is primarily the complexity of the structure and manufacture, the relatively low critical temperature value of 250 K. That is in order for the material to acquire the property of superconductivity, it is necessary to cool it to 250 K, which requires high operating costs, is associated with technical difficulties and narrows the scope of such a material.
  • such material having A complex structure is required for its manufacture by high-tech expensive equipment that is not widely used in industry, as a result of which the cost of such a material increases substantially while reducing its technological effectiveness.
  • the invention is directed to the creation of conductors having a low and ultra-low resistance value in a wide temperature range: from ultra-low temperatures to 420 K and above, which would be characterized by higher manufacturability compared to solutions known from the prior art.
  • the conductive elements are films or fibers of conductive material.
  • the value of Ni is at least 100.
  • the conductive elements are films or fibers of conductive material.
  • the value of Ni is at least 100.
  • the principle of TVE is that the effect on the sample of temperature, scale, power (current) load or frequency (or the same thing - the exposure time) lead to equivalent changes in the structurally sensitive physical characteristics of the sample.
  • the researcher does not care: act on the sample (in this case, the conductor) with temperature, load, frequency or changing its scale.
  • conventional classical conductors for example, copper, aluminum or silver, or other non-superconducting materials, including semiconductors with p and p conductivity, are used to achieve a technical result. Since the transverse dimensions of the SDRs are not clear, and their location is random on the surface or in the volume of the conductor, then they can be found and measured only by statistical methods. The task, therefore, is reduced to the identification by methods of statistics and the determination of the transverse dimensions of the SDR in each particular conductor.
  • variational series are constructed from the measured values of electrical resistances according to sequence numbers n in ascending order of sample number (1, 2, 3, ... p). Practically for guaranteed and reproducible For the results, it is necessary that the number of Ni be at least 100.
  • Variational diagrams, or series, or distribution curves are constructed for different geometric sizes of the samples, in other words, we consider the dependence of the electrical resistivity of each series (sample) on the scale factor of the sample conductors. On the experimental variation diagrams, or distribution functions corresponding, for example, to different lengths, find that series or sample in which there will be at least one sample with zero resistance value or close to zero.
  • the sample scale found in this way at which at least one sample with zero resistance appears in the jth statistical sample (series) of Nj conductive elements and corresponds to the transverse size of the SCR or cluster.
  • the j-th series in which this sample is located with an SCR and zero resistance value or a set of R conductive elements of the same type as the samples from the j-th series (i.e., having the same dimensions - length, width thickness made of the same material and in the same way), where R ⁇ Nj is folded into a stack or bundle, i.e. into an electrical parallel circuit with two opposite current electrodes.
  • the entire multi-element beam will be superconducting.
  • the transverse size of the SDR determined by the statistical method turned out to be less than 4000 microns.
  • the entire statistical sample with a sample having zero resistance value is stacked in a stack (for film samples) or in a bundle (for wire samples), to the ends of which two opposite current electrodes are connected.
  • each tested series of samples or a sample with the same and separate samples of conductors differs from each other by the linear dimensions of the samples, and in the general case it can also differ in the number of conductive elements in the sample.
  • the thickness of wire samples in the experiments of the authors ranged from 2000 ⁇ m to 50 ⁇ m or less, and film samples from 200 ⁇ m to 0.3 ⁇ m.
  • Defects can be various heterogeneities of the structure, imperfections in the crystal lattice, impurities, inclusions, microfractures, dislocations, etc.
  • Massive samples of conductors have the whole spectrum of defects (large and small) of the structure that affect its physical, in particular, electrical characteristics, and the presence of superconducting zones does not affect its conductivity due to the fact that they are scattered and are not connected into one electrical circuit and thus are masked and not manifest. Therefore, in massive conductors there is practically no experimental spread of resistance values.
  • the ultra-low resistance values are associated both with the presence of superconducting zones in the material and with the experimental scatter due to the scale-statistical, thermofluctuation, and relaxation nature of the scatter of the experimental data [Tsoy B. On three scientific discoveries related to the discreteness phenomenon. Moscow, Mir-Chemistry, 2004. 208 s]. Since in our experiments with copper and silver wires, zero resistance in a series of conductors was observed when the length of the samples was reduced to less than 4,000 ⁇ m, these values correspond to the transverse dimensions of superconducting zones (or clusters) discovered repeatedly by researchers of the 20th century [V. Ginsburg / Superconductivity: the day before yesterday, yesterday, today, tomorrow. // Advances in physical science. 2000, Volume 170, N ° 6. S. 619-630] and detected and measured by statistical methods by the authors of the invention.
  • the transverse size of the superconducting oxide zone for example, for cuprates of less than 4 mm, it is possible to fulfill the superconducting material. For this, it is necessary to take a series of at least 100 separate and identical conductors with a thin oxide layer (formed naturally through the interaction of the surface of the conductor with atmospheric oxygen, or artificially made by oxidation by any known method, for example, annealing) and combine them into a multi-element bundle or multi-layer foot, i.e. in a parallel electrical circuit of N> 100 constituent elements or layers, to which two opposite current electrodes are then connected.
  • the term "single-type” means the same, made in the same type (s), made in the same technological conditions, has the same weight, size, shape, etc.
  • the term “separate” means its isolation and isolation of each element of the sample in the statistical sample. When connecting the ends of these elements a parallel electrical circuit is formed to the two opposite current electrodes, when an electric potential is applied to them, the current will pass through the least resistance, the total resistance value of which in such a parallel circuit will be less than the smallest.
  • a conductor with a resistance value of not zero, but close to zero for example, a value several orders of magnitude lower than usual reference data, it may also be sufficient to have a foot composed of individual single-type conductor elements N> 1, but less than 100 with oxide or sour a layer and a length of the working part of less than 3000-4000 ⁇ m between two current electrodes.
  • the foot (bundle) is composed of a combination of N fibers
  • such a statistical structure preferably has a linearly parallel arrangement of fiber elements located on the surface (edge) and / or in the volume (gap).
  • zooming allows you to determine the transverse size of the superconducting zone in the samples of non-superconducting conductors, and the principle of the separate conductors of the samples ensures the parallel circuit of the N individual separate conductors between the two current electrodes to which they are attached to at least one superconducting zone (size sample length) included in the current circuit. Compliance with the principle of uniformity of individual samples is necessary for the correct construction of a statistical sample in the form of a variation series and for finding a sample in it with a superconducting band (cluster).
  • the probability will increase with a decrease in the length of the sample to a size equal to the average mean free path of charges, which is associated both with the presence of a superconducting oxide zone and with its absence, but primarily with the presence of such small sizes of conductors such small sizes of conductors of scale-statistical, thermofluctuation, and relaxation scatter of resistance values from zero to ordinary and arbitrarily large [Tsoi V., Kagtashova EM update Shvelev VV THE STATISTICS NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS. Uthsh-Vostop. Brillademis Publishers / VSP. 2004.
  • the probability of finding a conductor with a superconducting cluster in a given statistical sample increases, and a sufficiently large number of N conductors with small sizes (say, atomic or monomolecular in thickness) guarantees and increases the probability of obtaining a superconductor.
  • the number N may be equal to 100, 1000, 10000, 100000, 1,000,000, 10,000,000, etc.
  • the probability of obtaining a superconducting conductor in this case will be very close to unity or equal to unity, i.e. the conductivity of such a conductor will converge when N tends to infinitely large numbers to infinitely large values in accordance with the mathematical law of large numbers.
  • the phenomenon of superconductivity in multielement beams or multilayer stacks is, therefore, due to the fact that when the characteristic dimensions of the elements (samples) are reduced to sizes characteristic of the transverse dimensions of the superconducting zones of the material, some of the elements (samples) will contain superconducting zones, and some will not. Then, when all the elements are combined in parallel into a conductive multi-element conductor (a bundle of wires or a stack in the case of a film) and its ends are connected to current ladies, those constituent elements that contain superconducting zones will turn out to be directly included in the electric circuit by their superconducting zones and, thus, will turn the entire multi-element conductor into a superconducting one.
  • a conductive multi-element conductor a bundle of wires or a stack in the case of a film
  • the multi-element (beam) nature of the structure is mandatory here, since it allows you to guarantee the inclusion of superconducting zones and zones with the lowest resistance in the indicated conductive system.
  • a prerequisite is the observance of a large-scale factor that ensures the direct inclusion of superconducting zones or clusters (conductors) in an electrical circuit.
  • the scale factor provides a large experimental spread of data — the presence in the series of both samples with zero resistance value and with arbitrarily large.
  • the length of the conductor of the wire configuration for example, of copper or silver, should be less than 4 mm, and their number N> 100.
  • N the number of the conductor of the wire configuration
  • Ratio 1 takes into account the presence in the statistical sample of at least one sample with SCR, and ratio 2 - the absence in the sample of at least one superconducting element: 1) in the presence of elements having SCR
  • R ⁇ Ro, Ro is the lower boundary of the resistance of samples, the proportion of which is P, R 3 is the required or given resistance of the package.
  • the linear dimensions of the constituent elements can be different, and in any case, the smaller the linear size of the conductor and the larger the number N, the better the superconductivity effect of the conductor will be manifested.
  • the bundled conductor manufactured by the above method would not have experimental scatter.
  • multilayer (or beam conductors) will have stable ultraprecise values without experimental scatter of resistance values or other physical characteristics. Similar results in reducing the resistance to electric current are obtained not only by changing the scale of the samples of conductors, but also by changing the frequency of the current, or by increasing the current strength and voltage on the sample.
  • Figure 4. depicts the effect of the number of elements N and frequency f on the integral electrical resistance curves of a beam copper conductor 3 mm long and 120 microns thick.
  • Table 1 presents the characteristics of the experimental scatter of the data of measurements of resistance to electric current for samples of copper wire with a thickness of 120 ⁇ m of various lengths.
  • Table 2 shows the distribution of the values of electrical resistance R and inductance L 1 for a copper wire 120 ⁇ m thick and 3 mm long by sequence numbers in
  • Table 3 shows the distribution of the values of electrical resistance R and inductance Lj for a silver wire 100 ⁇ m thick and 3 mm long by sequence numbers in Sec.
  • the figure 1 presents the variation diagrams or integral distribution curves of electrical resistivity for copper conductors of various lengths. From these data it can be seen that in 100 tested samples of copper and silver wire, at least one wire has zero resistance value. As can be seen from these tables, zero values of resistance correspond to zero values of inductance, which indicates the absence of a magnetic field inside such a conductor. In addition, a number of samples with a working part length of 3 mm have values quite close to zero. For long lengths (the spread is not significant, see also table.l and 2) values of zero and close to zero are not observed in them.
  • each beam is composed of 100 samples, it is guaranteed that all the beams have zero resistance (Fig. 2). Similar data were obtained for conductors with a length of 3 mm and a thickness of 75 ⁇ m (see FIG. 3). Measurements of volt ampere characteristics showed that the bundled conductors made in this way withstand significant current loads. If ordinary copper, according to reference data, can withstand a current of only 5 A / mm 2 , then according to the invention a bundle of 4 120 micron copper wires withstands more than 1000 A / mm 2 .
  • Example 1 A conductor for conductive circuits, pads, electrodes and conductive buses in electronic circuits.
  • a substrate is taken (for example, an electronic board, a silicon monocrystal blank, etc.) where it is necessary to apply a conductive circuit, or a contact pad, an electrode, a conductive bus, etc.
  • Copper for example, by diffuse sputtering or thermal evaporation, is applied to the substrate using a multilayer conductive film circuit or contact pad, for example, in the form of thin strips (combs) or grids with a working length of the transverse size (for example, by diffuse sputtering or thermal evaporation). or less) SDR. Since the transverse SDR size for copper is 3 mm, for other chemical elements, for example aluminum, it is necessary to determine the SDR size in advance according to the above statistical method.
  • the thickness of each copper monolayer should be, for example, 400 nm. Other thicknesses may be used. All monolayers must be the same, i.e. the same type.
  • the length of the working part of the elementary conductor is no more than 3 mm (i.e., the transverse dimension of the superconducting zone or cluster).
  • Each copper layer of the film is oxidized by any known method, for example, by electrothermal annealing.
  • a thin oxide layer of CuO, Cu 2 O or CuO 2 is formed on the copper film, which in turn forms an SCR.
  • a second layer of copper is superimposed on top of the oxide film, which also undergoes oxidation.
  • This cycle is repeated N times (for the case when the superconducting circuit is repeated N> 100 times, if the circuit is not superconducting, but simply with low resistance, the cycle is repeated N ⁇ 100).
  • a multilayer stack (or bundle) with a thin oxide layer is formed.
  • the resistance R of such a multilayer beam is specified and calculated from formula 1 or 2, depending on the purpose of the conductive circuit.
  • the described multilayer copper conductor has limited linear dimensions (no more than the transverse size of the SDR, i.e.
  • a wire of various lengths and thicknesses is taken.
  • the size of the SDR is determined. Consider an example for copper wire.
  • N ⁇ YO wires of a thickness of less than 120 microns from copper. Each wire is oxidized by thermal annealing with a layer thickness of less than 1 ⁇ m from CuO,
  • the resistance R of such a long conductor is set and controlled by the relation (1) and (2), based on the number N of the constituent elements of the beam.
  • Example 3 Superconducting pn junctions in semiconductor devices.
  • a semiconductor substrate of the n or p type of conductivity is taken.
  • the number N pn junctions with adjacent diffusion regions is formed on the substrate, depending on the purpose of the device.
  • the geometric dimensions of the transitions are reduced to an infinitesimal value (in other words, they are made pointwise), and the number N pn junctions is increased to infinitely large values.
  • the number N pn junctions in the internal structure semiconductor device combine using superconducting electrodes or busbars in a parallel circuit, forming a current node.
  • the present invention will find application in the manufacture of polymer conductors, as well as when used in various conductive circuits in electrical circuits, in cables for transmitting electricity, in oscillatory circuits, inductors, in the windings of motors, transformers, generators.

Landscapes

  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

j - длина элементов в j-й выборке. В результате обеспечивается получение проводников с низкими и сверхнизкими значениями сопротивления.

Description

ПРОВОДНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Область техники
Изобретение относится к проводникам электрического тока, в частности имеющим низкие и сверхнизкие значения сопротивления в широком интервале рабочих температур, сверхпроводникам.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время широко известны классические проводники электрического тока из таких химических элементов как медь, золото, серебро, платина, магний, алюминий, железо и т.д. Проводники из них работают в обычных высокотемпературных условиях (273 К и выше), однако их существенным недостатком является высокое сопротивление прохождению электрического тока, в частности, величина удельного электрического сопротивления классических проводников составляет от 1.55 • 10' 8 до 1.12- 10"6 Ом м (при 293 К). Высокие значение сопротивления, большой разброс и нестабильность их значений в реальных условиях от образца к образцу обусловливают существенные потери электроэнергии в цепях с использованием указанных классических проводников.
Снижение и стабилизация сопротивления может быть, в частности, решена использованием сверхпроводящих материалов, которым характерно скачкообраз- ное аномальное падение, стабилизация и устранение разброса величины сопротивления практически до нуля в определенных условиях.
В связи с этим, начиная с 1911 года, когда X. Камерлинг-Оннес при сверхнизких температурах обнаружил эффект сверхпроводимости ртути и до настоящего времени, это явление неоднократно фиксировалось экспериментально и обосновы- валось теоретически и причем преимущественно для материалов, охлажденных до сверхнизких температур от 0 до 77 К [Гинзбург В.Л. /Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. //Успехи физических наук. 2000, том 170, JN°6. С. 619- 630, Югай К.Н. /Взаимодействие мощного импульсного лазерного излучения с поверхностью керамической YBCO мишeни.//Энциклoпeдия корейцев России. Москва, PAEH, 2003. С. 535 - 541]. Низкотемпературные условия этих явлений не позволяют их использовать в обычных высокотемпературных, например, при 293 К и выше.
С тех пор основные усилия по достижению сверхпроводимости были связаны с изменением температуры опыта. Не найдя это явление для целого ряда клас- сических проводящих материалов, например, из меди, серебра, золота, платины и др., усилия исследователей были направлены на модифицирование химической структуры и создание новых материалов, дающих эффект снижения сопротивления до нуля в высокотемпературных условиях. В подавляющем большинстве случаев достичь сверхпроводящего состояния в высокотемпературных условиях, при температуре T > 273 К, или по крайней мере, добиться стабильного воспроизведения эффекта сверхпроводимости, исследователям 20 века не удалось [Гинзбург В.Л. /Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. //Успехи физических наук. 2000, том 170, N°6. С. 619-630].
Используемый в данном случае термин «cвepxпpoвoдник» относится к про- воднику с практически нулевым значением электрического сопротивления, когда проводимость, т.е. величина обратная сопротивлению имеет бесконечно большое значение. При отсутствии внутри проводника магнитного поля их называют сверхпроводниками второго рода.
Используемый в дальнейшем термин «cвepxнизкoe сопротивление)) условно отнесен для достаточно близких к нулю значений сопротивлений, по крайней мере, имеющих сопротивление на несколько десятичных порядков ниже классических проводников.
Сверхнизкие значения электросопротивлений наряду с нулевым значением с не меньшим успехом могут быть использованы в современной технике, промыш- ленности и электронике.
В патентной литературе известны сверхпроводящие материалы из пленок на основе CuO1-X [Аzzопi СВ., Раrаviсiпi G.B., Sаmоggiа G, еt аl. Еlесtriсаl Iпstаbilitу in CuO 1-х: Роssiblе Соrrеlаtiопs with thе СuО-bаsеd Нigh Теmреrаtuге Suреrсопduс- toгs.//Z. Nаtuгfоrsсh. 1990. V.45 а. P/ 790-794] и Y-Ba-Cu-O [Sсhопbегgеr R., Ot- tоН.Н., Вruппеr В., Rепk К.F. Еvidепсе fог Filаmепtаrу Suрегсопduсtivitу uр tо 220 K in Oriented Multiphase Y-Ba-CuO Films //Рhisiса С. 1991. V. 173. P. 159-162], обогащенные медью, скачкообразное аномальное падение электрического сопротивления которых до нуля (или сверхпроводимость) наблюдалось в области температур 180-220 К. Недостатком этих проводников является нестабильность электрического сопротивления во времени, невоспроизводимость от образца к образцу, а также исчезновение эффекта после нескольких температурных циклов измерения в исследуемом интервале температур (т.н. «нeвocпpoизвoдимaя сверхпроводимость)), «блyждaющaя сверхпроводимость))). Известен также сверхпроводниковый материал, выполненный из пленок меди толщиной 0,4 мкм, нанесенных методом термического испарения на естественных гранях кристалла CuO, как на подложку [Осипов B.B., Самохвалов А.А. /Гигантские аномалии электропроводности в интерфейсе CuO-Cu. //Физика металлов и металловедение, 2000, т.89, N°5, С. 43-46]. В таком проводнике в области температур от 73 К до 420 К наблюдался большой экспериментальный разброс: величина удельного электросопротивления снижалась в отдельных образцах на два порядка и более, колебалась соответственно от обычного значения, равного l,55-10'8 Ом-м ДО 7,8-Ю"11 ОМ-М. Более того, в этом материале после электротермического отжига, при температуре 300 - 400 0C и более, сопротивление у от- дельных образцов (из-за возникновения в интерфейсе CuO - Cu дополнительных зон или кластеров со сверхнизким сопротивлением) снижалось аномально катастрофически - от нескольких до 150 000 раз. Таким образом, в таком электропроводящем материале наряду с катастрофическим падением сопротивления [Осипов B.B., Самохвалов А.А. /Гигантские аномалии электропроводности в ин- терфейсе CuO-Cu. //Физика металлов и металловедение, 2000, т.89, N°5, С. 43-46], наблюдается огромный экспериментальный разброс и нестабильность значений сопротивления от обычных значений для отдельных образцов из меди (с удель- ным электрическим сопротивлением в 1,55-10" Ом-м) до практически нулевого значения для других образцов. Огромный экспериментальный разброс величины сопротивления в образцах материала, предложенном в [Осипов В. В., Самохвалов А.А. /Гигантские аномалии электропроводности в интерфейсе CuO-Cu. //Физика металлов и металловедение, 2000, т.89, N°5, С. 43-46] свидетельствует о стохас- тичности и «блyждaющeм» характере наблюдаемого эффекта. Недостатком такого рода проводников являются громадный разброс и стохастичность, а как следст- вие из этого «блyждaющий» характер нулевого сопротивления, не позволивший их использовать в уровне техники.
Известны так называемые лицендраты [Большой энциклопедический словарь Политехнический. Москва: изд. «Бoлыпaя Российская энциклопедия)), 1998. С. 204-205], представляющие собой скрученные изолированные и собранные в пучок N проводников, которые спаиваются в параллельную цепь двумя противоположными токовыми электродами. Лицендраты имеют сравнительно низкое удельное сопротивление и используются для борьбы с токами Фуко. Однако они, несмотря на большое число N элементов-жил в своем составе и параллельную токовую цепь, все же не достигают значений сопротивления достаточно близких или равных нулю.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является многослойный материал, образованный на подложке, содержащей совокупность слоев, образующую накопитель зарядов, образующих сверхпроводниковую зону с CuO2 и с несколькими наложенными друг на друга мономолекулярными пленочными слоями из материалов, выбранного из группы, в состав которой входят висмут Bi, ртуть Hg, Таллий Tl и медь Cu причем упомянутый накопитель зарядов и сверхпроводящая зона примыкают друг другу в плотном пакете слоев, отличающийся тем, что число слоев представляют целое число не меньше 4, а прокладочные слои материала имеют химическую формулу Cai.χMχ и т.д. [Патент RU 2131157 Cl, 27.05.1999]. Недостаток этого многослойного материала является прежде всего сложность строения и изготовления, сравнительно низкое значение критической температуры, составляющий 250 К. Т.е. для того, чтобы материал приобрел свойство сверхпроводимости, необходимо его охладить до 250 К, что требует больших эксплуатационных расходов, сопряжено с техническими трудностями и сужает область применения такого материала. Кроме того, такой материал, имея сложную структуру требует для своего изготовления высокотехнологичное дорогое оборудование, не получившее распространения в промышленности, вследствие чего существенно возрастает стоимость такого материала с одновременным снижением его техноло- гичности.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание проводников, обладающих низким и сверхнизким значением сопротивления в широком температурном интервале: от сверхнизких температур до 420 К и выше, которые характеризовались бы более высокой технологичностью по сравнению с решениями, известными из уровня техники.
Согласно первому аспекту изобретения указанная цель достигается в способе изготовления проводника электрического тока, в котором производят M серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, M - нату- ральное число, причем в каждой i-й серии (i=l..M) токопроводящие элементы являются однотипными, и их число равно Nj, по результатам измерений отбирают j -ю выборку из Nj однотипных элементов, в которой зафиксировано наименьшее значение сопротивления среди всех испытанных элементов, далее R > Nj токопроводящих элементов, каждый из которых имеет длину L < Ij, где Ij - длина эле- ментов в j-й выборке, соединяют параллельно.
Предпочтительно токопроводящие элементы представляют собой пленки или волокна из токопроводящего материала.
Предпочтительно для любого i= 1..M значение Ni составляет не менее 100.
Согласно второму аспекту изобретения указанная задача также решается в проводнике электрического тока, который содержит R однотипных токопроводящих элементов длиной L, соединенных параллельно, причем R > Nj, где Nj - число элементов в j-й выборке, отобранной по результатам проведения M серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, где M - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=l..M) токопроводящие элементы являются однотипными, указанная j-я серия выбрана по наличию в ней токопро- водящего элемента с наименьшим электрическим сопротивлением, и при этом L < Ij, где Ij - длина элементов в j-й выборке.
В предпочтительных случаях токопроводящие элементы представляют со- бой пленки или волокна из токопроводящего материала.
Предпочтительно, для любого i= 1..M значение Ni составляет не менее 100.
Решение задачи и достижение результата основано на применении в предлагаемом изобретении принципа температурно-временной, масштабной и силовой эквивалентности (сокращенно: принцип ТВЭ) в сочетании с методами статистики, впервые установленных и разработанных авторами.
Принцип ТВЭ заключается в том, что действие на образец температуры, масштаба, силовой (токовой) нагрузки или частоты (или одно и то же - времени воздействия) приводят к эквивалентным изменениям структурно-чувствительных физических характеристик образца. В соответствии с принципом ТВЭ исследова- телю безразлично: воздействовать на образец (в данном случае проводник) температурой, нагрузкой, частотой или изменением его масштаба. При воздействии на образец указанными факторами раздельно или поочередно получается один и тот же эквивалентный результат и наблюдатель может получить идентичную информацию о структуре и свойствах образца. Поэтому нулевое и сверхнизкое сопро- тивление можно получить воздействием (изменением) не только температуры, но например, изменением масштаба, токовой нагрузки или частоты воздействующего тока (при неизменности какого-либо параметра, например, температуры, т.е. T = сопst ) на проводник.
Многочисленные данные из патентной литературы, подытоженные в [Гинзбург В.Л. /Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. //Успехи физических наук. 2000, том 170, N°6. С. 619-630] и подтвержденные и в наших экспериментах, позволили со всей достоверностью установить, что в несверхпроводящих материалах (проводниках) тем или иным способом создаются или образуются «блy- ждaющиe» высокотемпературные сверхпроводящие зоны (или кластеры), в даль- нейшем СПЗ. СПЗ представляют, как правило, окиси или закиси тех или иных химических элементов, из которого выполнен материал проводника. В частности, в уровне техники в проводниках из различных материалов, например, купратов были обнаружены локальные участки со СПЗ, которые расположены в них хаоти- чески и статистически случайно. При этом закономерность их поведения и линейные размеры до настоящего времени были не ясны [Гинзбург В. JI. /Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. //Успехи физических наук. 2000, том 170, Jteб. С. 619-630, Аzzопi СВ., Рагаviсiпi G.B., Sаmоggiа G, еt аl. Еlесtriсаl Instability in CuO 1-х: Роssiblе Соrrеlаtiопs with thе СuО-bаsеd Нigh Теm- регаtuге Superconductoгs.//Z. Nаturfогsсh. 1990. V.45 а. Р/ 790-794, Sсhопbегgег R., ОttоН.Н., Вruппег В., Rепk К.F. Еvidепсе fог Filаmепtаrу Suрегсопduсtivitу uр tо 220 К iп Оriепtеd Мultiрhаsе Y-Ba-CuO Films //Рhisiса С. 1991. V. 173. P. 159-162, Осипов B.B., Самохвалов А.А. /Гигантские аномалии электропроводности в интерфейсе CuO-Cu. //Физика металлов и металловедение, 2000, т.89, N°5, С. 43-46]. Результатом такого статистически случайного расположения СПЗ и явилось проявление «блyждaющeгo» или «нeвocпpoизвoдимoгo» эффекта сверхпроводимости. В уровне техники отсутствуют способы нахождения и устранения «блyждaющиx» эффектов.
В предлагаемом изобретении для осуществления технического результата используются обычные классические проводники, например, медь, алюминий или серебро, или другие несверхпроводящие материалы, включая полупроводники с п и р проводимостью. Поскольку поперечные размеры СПЗ не ясны, а их местонахождение случайное на поверхности или в объеме проводника, то найти их и измерить можно только статистическими методами. Задача, следовательно, сво- дится к выявлению методами статистики и определению поперечных размеров СПЗ в каждом конкретном проводнике. Для этого на основании статистических выборок (или серий), состоящих из данных измерений Ni однотипных (одинаковых) отдельных образцов проводника в каждой серии (i, Ni - натуральные числа), строятся вариационные ряды из измеренных значений электрических сопротивле- ний по номерам последовательности п в порядке возрастания номера образца (1, 2, 3, ... п). Практически для получения гарантированных и воспроизводимых ре- зультатов необходимо, чтобы число Ni было не менее 100. Вариационные диаграммы, или ряды, или кривые распределения строятся для различных геометрических размеров образцов, иначе говоря, рассматривается зависимость значений электросопротивлений каждой серии (выборки) от масштабного фактора образ- цов-проводников. На экспериментальных вариационных диаграммах, или функциях распределения, соответствующих, например, различным длинам, находят ту серию или выборку, в которой окажется хотя бы один образец с нулевым значением сопротивления или близким к нулю.
Найденный таким путем масштаб образца, при котором в j-й статистической выборке (серии) из Nj токопроводящих элементов появится хоть один образец с нулевым сопротивлением и будет соответствовать поперечному размеру СПЗ или кластера. Далее, j-я серия (выборка), в которой находится этот образец с СПЗ и нулевой величиной сопротивления или набор из R токопроводящих элементов, однотипных образцам из j-й серии (т.е. имеющих такие же габариты - длину, ши- рину, толщину, выполненных из того же материала и тем же способом), где R≥Nj складывается в стопу или пучок, т.е. в электрическую параллельную цепь с двумя противоположными токовыми электродами. В таком статистическом пучке, если хоть один элемент будет иметь нулевое сопротивление, или близкое к нулю значение, то весь многоэлементный пучок будет сверхпроводниковым. Практически, для медной и серебряной проволоки поперечный размер СПЗ, определенного статистическим методом, оказался равным менее 4000 мкм. Вся статистическая выборка с образцом, имеющим, нулевое значение сопротивления складывается в стопу (для пленочных образцов) или в пучок (для проволочных образцов), к концам которых присоединяют два противоположных токовых элек- трода.
В экспериментах авторов при снижении масштаба образца до поперечного размера сверхпроводниковой зоны (СПЗ) сами (зоны) включаются в общую параллельную цепь в качестве элемента цепи между двумя противоположными токовыми электродами и становятся неотъемлемой структурно-статистической электрической характеристикой образца. Поскольку сверхпроводниковые зоны носят стохастический характер, то они обнаруживаются только статистическими методами. Поэтому авторами исследовались экспериментальные статистические функции распределения значений электросопротивлений, построенные из данных не менее 100 испытанных одинаковых (однотипных) образцов в каждой серии (выборке). Поскольку мы имеем дело со стохастическими величинами, то возможны варианты сверхпроводника, когда СПС может оказаться и в выборке с числом N < 100.
Таким образом, каждая испытанная серия образцов или выборка с однотипными и отдельными образцами проводников отличается друг от друга линейными размерами образцов, а также в общем случае может отличаться числом токопро- водящих элементов в выборке. Толщина проволочных образцов в опытах авторов варьировалась от 2000 мкм до 50 мкм и меньше, а пленочных от 200 мкм до 0,3 мкм. При этом, как уже было сказано, для получения гарантированных, надежных и воспроизводимых и повторяемых результатов по измерению сопротивления R и индуктивности L необходимо измерить не менее 100 образцов. При числах N < 100 воспроизводимость, надежность и достоверность падают, а вероятность становится меньше единицы, т.е. нет 100 % гарантии получения электрического проводника с низкими и сверхнизкими значениями сопротивления, или с нулевым значением сопротивления (т.е сверхпроводника). Практически в реальных усло- виях возможны случаи, когда нужны проводники не с нулевым значением сопротивления, а близкие или отличающиеся от нулевых значений, например, на один или два порядка, что необходимо для различных электронных схем и конструкций.
Проведенные эксперименты показали, что при снижении рабочей длины, например, медных образцов менее чем на 4000 мкм в серии из не менее 100 испытанных образцов обнаруживается огромный экспериментальный разброс. В такой серии или выборке образцов имеется целый ряд значений сопротивлений близких к нулю и среди них, по крайней мере, один или несколько проводников имеются с нулевыми значениями сопротивления R = 0 и индуктивностью Li = 0. Нулевое значение индуктивности свидетельствует об отсутствии магнитного поля внутри этих образцов сверхпроводников, т.е. их принадлежности к сверхпроводникам второго рода [Гинзбург В. Л. /Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. //Успехи физических наук. 2000, том 170, N°6. С. 619-630]. Для серебряных проводников минимальная длина, при которой в серии нашелся бы хоть один об- разец с нулевым значением сопротивления соблюдается аналогичная закономерность: размер образца при которой проявляется нулевое сопротивление в статистической выборке составляет менее 3000 мкм.
Как показывают эксперименты при снижении масштаба проводника огромный экспериментальный разброс значений сопротивления колеблется от нулевого зна- чения до обычного - в 1,55- 10'8 Ом-м и выше. Громадный экспериментальный разброс обусловлен наличием в серии проводников как сверхпроводниковых образцов (образцов со сверхпроводниковыми зонами-кластерами), так и несверхпроводящих проводников с различным значением сопротивлений, связанных с наличием в структуре материалов различных типов дефектов [Тsоi В., Кагtаshоv Е.М. апd Shеvеlеv V. V. THE SТАТISТIКАL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS. Utгесht-Воstоп. Вrill Асаdеmiс PuЫishers/VSP.2004. 522 р, Карта- шов Э.M., Цой Б., Шевелев В. В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с]. Дефектами могут быть, различные неоднородности структуры, несовершенства в кристаллической решетке, примеси, включения, микроразрывы, дислокации и т.д. В массивных образцах проводников имеется весь спектр дефектов (больших и малых) структуры, влияющих на его физические, в частности, электрические характеристики, а наличие сверхпроводящих зон не сказывается на его проводимости из-за того, что они разрознены и не связаны в одну электрическую цепь и, таким образом, маскируются и не про- являются. Поэтому в массивных проводниках практически нет экспериментального разброса значений сопротивления. В малых по размеру проводниках грубые дефекты структуры, влияющие на его проводимость, отсутствуют (из-за большого размера дефектов, например, превышающего размер образца, их там быть не может) и проявляется весь спектр тонких дефектов структуры, влияющих на его проводимость, в том числе и сверхпроводящие зоны, и поэтому разброс сопротивления существенный. И чем меньше будет размер проводника, тем больше будет экспериментальный разброс сопротивления (см. раздел «Экcпepимeнтaль- ные доказательства))). Поэтому в серии малых по длине проводников будут значения с как угодно малыми значениями сопротивления, так и со значениями как угодно большими, соответствующими обычным справочным данным. Следова- тельно, сверхнизкие значения сопротивления связаны как наличием в материале сверхпроводниковых зон, так и экспериментальным разбросом, обусловленным масштабно-статистической, термофлуктуационной и релаксационной природой разброса данных эксперимента [Цой Б. О трех научных открытиях, связанных с явлением дискретности. Москва, Мир-Химия, 2004. 208 с]. Поскольку в наших опытах с медной и серебряной проволокой нулевое сопротивление в серии проводников наблюдались при снижении длины образцов менее 4 000 мкм, то эти величины и соответствуют поперечным размерам сверхпроводниковых зон (или кластеров), обнаруженных многократно исследователями 20 века [Гинзбург В. Л. /Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. //Успехи физических на- ук. 2000, том 170, N°6. С. 619-630] и обнаруженных и измеренных методами статистики авторами предлагаемого изобретения.
Зная теперь поперечный размер сверхпроводниковой окисной зоны, например, для купратов, составляющей менее 4 мм можно гарантировано выполнить сверхпроводниковый материал. Для этого необходимо взять серию из не менее 100 отдельных и одинаковых проводников с тонким окисным слоем (образованным естественным путем за счет взаимодействия поверхности проводника с кислородом воздуха, или искусственно выполненным путем окисления любым известным способом, например отжигом) и объединить их в многоэлементный пучок или многослойную стопу, т.е. в параллельную электрическую цепь из N > 100 составляющих элементов или слоев, к которым затем присоединяют два противоположных токовых электрода.
В настоящем изобретении термин «oднoтипный» означает одинаковый, выполненный однотипным (одинаковым) образом, выполненный в одних и тех же технологических условиях, имеет одинаковую массу, размеры, форму и т.д. Тер- мин «oтдeльный» означает его изолированность и обособленность каждого элемента-образца в статистической выборке. При соединении концов этих элементов к двум противоположным токовым электродом образуется параллельная электрическая цепь, при подаче на которые электрического потенциала, ток пройдет по наименьшему сопротивлению, общее значение сопротивления которого в такой параллельной цепи будет иметь значение меньше наименьшего. Поскольку мы имеем дело со статистическими распределениями, имеющими стохастический характер, то практически для реализации сверхпроводника с нулевым сопротивлением возможны случайные варианты, когда бывает достаточно иметь стопу, составленного из числа отдельных однотипных элементов- проводников с N > 1, но меньше 100 с окисным или закисным слоями и длиной рабочей части менее 3000-4000 мкм между двумя токовыми электродами. Вероятность осуществления такого сверхпроводника, разумеется будет, меньше единицы.
Для реализации проводника со значением сопротивления не нулевым, а близким к нулевому (значению, например, на несколько порядков ниже обычных справочных данных бывает также достаточно иметь стопу, составленным из числа отдельных однотипных элементов-проводников N > 1, но меньше 100 с окисным или закисным слоем и длиной рабочей части менее 3000-4000 мкм между двумя токовыми электродами.
Для однозначности трактовки технических эффектов в изобретении приняты до- полнительно следующие определения. В соответствии уровнем развития техники [Цой Б., Лаврентьев B.B. /Материал для компонентов радиоэлектронных приборов. Пат. РФ. M> 2284267, приоритет от 10.11.2004 г., Цой Б., Лаврентьев В.В. Карташоβ, Э.M., Шеβелеβ В.В. /Электроизоляционный материал. Пат РФ N° 2284593, приоритет от 26.10.2004 г. 13. Цой Б., Карташоβ, Э.M., Шеβелеβ B.B., Цой СБ. /Материал для защиты от ударных воздействий. //Заявка. Патент РФ. N° 2005126360. Приоритет от 22.08.2005 г.] под стопой (пучком) следует понимать многоэлементную статистическую структуру, образованную из числа N > 1 (где N - целое число) отдельных однотипных конечных элементов-проводников электрического тока, расположенных параллельно друг с другом (или друг над дру- гом) на поверхности (крае) и в объеме (или промежутке) и объединенных в пучок, в параллельную электрическую цепь, с помощью двух противоположных токовых контактов или электродов. Элементами такой статистической выборки (т.е. стопы, или пучка) могут быть пленки и волокна. Если стопа (пучок) составлен из N пленок, то такая статистическая выборка имеет плоско-параллельное располо- жение пленок, имеющих поверхностные (краевые) и промежуточные (внутри объемные) элементы. Если же стопа (пучок) составлена объединением N волокон, то такая статистическая структура предпочтительно имеет линейно-параллельное расположение элементов-волокон, находящихся на поверхности (крае) и/или в объеме (промежутке). В предлагаемом изобретении изменение масштаба позволяет определить поперечный размер сверхпроводящей зоны в образцах несверхпроводящих проводников, а принцип отдельности образцов проводников обеспечивает параллельность электрической цепи N отдельных обособленных проводников между двумя токовыми электродами к которым они присоединены, по крайней мере хотя бы с одной сверхпроводящей зоной (размером в длину образца), включенной в токовую цепь. Соблюдение принципа однотипности отдельных образцов необходим для корректного построения статистической выборки в виде вариационного ряда и нахождения в нем образца со сверхпроводниковой зоной (кластером).
Для гарантированного получения сверхпроводникового материала необходимо выполнить стопу из не менее 100 образцов и при этом для усиления сверхпроводникового эффекта необходимо снизить линейные размеры (толщину и длину), а также увеличить число отдельных однотипных слоев - проводников до достаточно большого числа. Снижение длины образца до нуля ведет к падению сопротивления до нуля. При снижении размера проводника до критических размеров соизмеримых с длиной свободного пробега электрического заряда будет наблюдаться огромный экспериментальный разброс значения сопротивления.
Вероятность нахождения в такой статистической выборке образца с нулевым сопротивлением будет очень большой даже в отсутствии в образцах проводников
СПЗ. Особенно вероятность будет возрастать при снижении длины образца до размера, равного средней длине свободного пробега зарядов, что связано, как наличием сверхпроводниковой оксидной зоны, так и с её отсутствием, но прежде всего наличием при таких малых размерах проводников масштабно- таких малых размерах проводников масштабно-статистического, термофлуктуа- ционного и релаксационного разброса значений сопротивления от нулевого значения до обычных и как угодно большого [Тsоi В., Кагtаshоv Е.М. апd Shеvеlеv V.V. THE SТАТISТIКАL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS. Utrесht-Воstоп. Вrill Асаdеmiс Publishers/VSP.2004. 522 р, Карташов Э.M., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с, Цой Б. О трех научных открытиях, связанных с явлением дискретности. Москва, Мир-Химия, 2004. 208 с]. Поэтому при снижении длины образца проводника в статистической выборке, например, с N > 100 до достаточно малых размеров вероятность нахождения образца с нулевым значением будет достаточно большой и даже, если в выборке образцов с нулевым сопротивлением не будет, а будут лишь образцы близкие к нулю значением сопротивления, то в такой параллельной цепи общее сопротивление будет нулевым или близким к нулю. С другой стороны, с увеличением числа N элементов возрастает вероятность нахождения проводника с сверхпроводящим кластером в данной статистической выборке и достаточно большое число N проводников с малыми размерами (скажем в толщину с атомарный или мономолекулярный размер) гарантирует и увеличивает вероятность получения сверхпроводника. Например, число N может быть равным 100, 1000, 10000, 100000, 1 000 000, 10 000 000 и т.д. Вероятность получения сверхпроводящего проводника в данном случае будет очень близкой к единице или равной единице, т.е. проводимость такого проводника будет сходиться при стремлении N к бесконечно большим числам к бесконечно большим значениям в соответствии с математическим законом больших чисел. Явление сверхпроводимости в многоэлементных пучках или многослойных стопах, таким образом, обусловлено тем, что при уменьшении характерных размеров элементов (образцов) до размеров, характерных для поперечных размеров сверхпроводящих зон материала, часть элементов (образцов) будут содержать сверхпроводящие зоны, а часть не будут. Тогда при параллельном объединении всех элементов в токопроводящий многоэлементный проводник (пучок из проволок или стопу в случае пленки) и подсоединении его концов к токовым электро- дам, те составляющие элементы, которые содержат сверхпроводящие зоны, окажутся непосредственно включенными в электрическую цепь своими сверхпроводящими зонами и, таким образом, превратят весь многоэлементный проводник в сверхпроводящий. Многоэлементный (пучковый) характер конструкции здесь яв- ляется обязательным, так как позволяет гарантированно включить в указанную токопроводящую систему, сверхпроводящие зоны и зоны с наименьшим сопротивлением. Обязательным условием является и соблюдение масштабного фактора, обеспечивающего непосредственное включение сверхпроводящих зон или кластеров (проводников) в электрическую цепь. Кроме того, масштабный фактор обеспечивает большой экспериментальный разброс данных - наличие в серии как образцов с нулевым значением сопротивления, так и с как угодно большим.
В целом, таким образом, для гарантированной реализации эффекта сверхпроводимости длина проводника проволочной конфигурации, например, из меди или серебра должна быть менее 4 мм, а их число N>100. При этом из-за стохас- точности возможны варианты или случаи, когда реализация сверхпроводника возможна и при N < 100.
На практике, чтобы обеспечить гарантированное выполнение сверхпроводника или проводника со сверхнизким сопротивлением и сверхвысоким снижением разброса значений сопротивления число проводников N (без учета толщины токопроводящих пленок и волокон) авторами предлагаются соответственно два простых математических соотношения.
Соотношение 1 учитывает наличие в статистической выборке хоть одного образца с СПЗ, а соотношение 2 - отсутствие в выборке хоть одного сверхпроводящего элемента: 1) при наличии элементов, имеющих СПЗ
N > In (I - P0 У In (I - P ), (1) где P - есть экспериментально установленная доля сверхпроводящих элементов в их выборке из числа элементов, подготовленных к изготовлению многоэлементной токопроводящей структуры; P0 - доверительная вероятность, с кото- рой в многоэлементной токопроводящей структуре должен быть хоть один проводник с СПЗ;
2) при отсутствии проводников с СПЗ
Figure imgf000018_0001
где P - экспериментально установленная доля проводников с сопротивлением
R < Ro, Ro - нижняя граница сопротивления образцов, доля которых есть P, R3 - требуемое или заданное сопротивление пакета.
В соотношениях 1 и 2 не берутся в расчет размеры токопроводящих эле- ментов, они неявно заложены в этих формулах через сопротивление.
Для различных видов проводниковых материалов, из которых будет составлена стопа или пучок, линейные размеры составляющих элементов могут быть различными, и в любом случае, чем меньше будет линейный размер проводника и больше число N, тем лучше будет проявляться эффект сверхпроводимости про- водника. При этом, оказалось, что изготовленный вышеуказанным способом пучковый проводник не будет иметь экспериментального разброса. И таким образом, многослойные (или пучковые проводники) будут иметь стабильные сверхточные значения без экспериментального разброса значений сопротивления или других физических характеристик. Аналогичные результаты по снижению сопротивления электрическому току получаются не только при изменении масштаба образцов проводников, но и при изменении частоты тока, или увеличении силы тока и напряжения на образец. В частности, при увеличении частоты тока, сопротивление катастрофически падает за счет движения электрического тока по поверхности проводника, который в уровне техники используется для транспортировки и передачи энергии. При увеличении нагрузки - силы тока и напряжения (при фиксированном значении температуры, масштаба и частоты) сопротивление материала электрическому току также катастрофически падает и снижается до нуля, т.е. проводник становится сверхпроводящим. Однако этот эффект сверхпроводимости из-за дороговизны в настоящий момент практически не может найти область своего применения.
Наиболее практически целесообразным, на взгляд авторов, является эффект сверхпроводимости и эффект падения сопротивления основанный на описанном выше структурно-статистическом масштабном факторе, поскольку он не требует колоссальных энергетических затрат.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется далее более подробно на конкретных предпочтительных примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на ко- торых:
Фиг. 1. изображает интегральные кривые распределения значений электросопротивлений для медных проводников различной длины (N=I; длина Змм, 30мм, 110мм, 200 мм) толщиной 120 мкм.
Фиг. 2. - интегральные кривые распределения значений электросопротивле- ний пучковых медных проводников с числом проводников в пучке N = 1, 4, 8 и 100 (т.е. каждая точка на графике представляет результат измерения пучка или стопы из 1,4 и 8 образцов); длина образца 3 мм; толщина - 120 мкм.
Фиг.З. - интегральные кривые распределения значений электросопротивлений пучковых медных проводников с числом проводников N = 1, 4, 8 и 100; дли- на образца 3 мм; толщина - 75 мкм
Фиг.4. изображает влияние числа элементов N и частоты f на интегральные кривые электросопротивления пучкового медного проводника длиной 3 мм и толщиной 120 мкм.
Лучший вариант осуществления изобретения Результаты экспериментальных статистических измерений электросопротивлений на примере медных и серебряных проводников представлены в таблицах 1-3. В таблице 1 представлены характеристики экспериментального разброса данных измерений сопротивления электрическому току для образцов из медной проволоки толщиной 120 мкм различной длины.
Таблица 1.
Figure imgf000020_0001
Из таблицы 1, видно, что в массивных (длинных) образцах длиной в 200 мм практически нет разброса: он составляет всего 1 ,43 %, а величина сопротивления составляет от 0,311300 до 0,325600 Ом. При снижении длины медного проводника до 30 мм разброс увеличивается до 205 %, а величина сопротивления состав- ляет 0,049000 - 0,149600 Ом, т.е. уже не совсем «мeднyю величину)), не согласующуюся со справочными данными [Цой Б. О трех научных открытиях, связанных с явлением дискретности. Москва, Мир-Химия, 2004. 208 с].
В приведенной таблице 2 представлено распределение значений электрического сопротивления R и индуктивности L1 для медной проволоки толщиной 120 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности п.
Таблица 2
Figure imgf000020_0002
Figure imgf000021_0001
В таблице 3 приведено распределение значений электрического сопротивления R и индуктивности Lj для проволоки из серебра толщиной 100 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности п.
Таблица 3
Figure imgf000022_0001
Figure imgf000023_0001
Как видно из таблиц 2, 3 с дальнейшим снижением длины проводника до 3 мм, разброс значений сопротивления увеличивается до бесконечности, а сопротивление катастрофически падает до нуля. Измерения индуктивности L показали аналогичный характер изменения величины разброса его величины. При падении сопротивления до нуля, индуктивность при этом также снижается до нуля, т.е. в таком проводнике внутри отсутствует магнитное поле.
На фигуре 1 представлены вариационные диаграммы или интегральные кривые распределения электросопротивлений для медных проводников различной длины. Из этих данных видно, что в 100 испытанных образцах из медной и серебряной проволоки хоть один, но имеют нулевое значение сопротивления. Как видно из этих таблиц, нулевым значениям сопротивления соответствуют нулевые значения индуктивности, что свидетельствует об отсутствии магнитного поля внутри такого проводника. Кроме того, ряд образцов с длиной рабочей части в 3 мм имеют значения достаточно близкие к нулю. Для больших длин (разброс не- значителен, см. также табл.l и 2) значений нулевых и близких к нулю в них не наблюдается.
Если теперь образцы соответствующие длине 3 мм (см. фиг.l) сложить в пучок, стопу, т.е. в параллельную цепь из N = 4, 8 и 100 образцов (фиг.2) и к ним присоединить противоположные токовые электроды, то общее сопротивление таких многослойных проводников катастрофически падают. В случае, когда в таком пучке имеется 4 или 8 образцов, то образцов, с нулевым значением в серии испытанных наблюдается небольшое количество. При этом хоть общее сопротивление и упало катастрофически, но оно все же не достигло нулевого значения. Т.е. сверхпроводимости достигают не все проводники данной статистической выборки из пучков состоящих из N = 4 и 8 проводников. В случае, если каждый пучок сложить из 100 образцов, то гарантировано все пучки имеют нулевые сопротивления (фиг.2). Аналогичные данные получены для проводников длиной 3 мм и толщиной в 75 мкм (см. фиг.З). Измерения вольт амперных характеристик показали, что выполненный таким путем пучковые проводники выдерживает значительные токовые нагрузки. Если обычная медь по справочным данным выдерживает силу тока всего в 5 А/мм2, то согласно изобретения пучок из 4-х 120 микронных медных проволок выдерживал более 1000 А/мм2. Исследование влияния частоты воздействующего тока, при которой измеряется сопротивление электрическому току подтверждают открытый авторами настоящего изобретения принцип температурно-временной, масштабной и частотной эквивалентности ТВЭ. Так, на фиг. 4 видно, что с увеличением частоты f сопротивление медных проводников катастрофически снижается. Особенно эффект падения сопротивления до нуля наблюдается отчетливо при одновременном увеличении числа элементов в пучке N и воздействии частоты f.
Пример 1. Проводник для токопроводящих цепей, контактных площадок, электродов и токопроводящих шин в электронных схемах. Берется подложка (например, электронная плата, заготовка монокристалла кремния и т.п.), где необходимо нанести токопроводящую цепь, или контактную площадку, электрод, токопроводящую шину и т.п..
На подложку трафаретным методом или любым другим способом наносится медь, например, диффузным напылением или термическим испарением многослойная пленочная токопроводящая цепь или контактная площадка, имеющие любую выбранную конфигурацию, к примеру, в виде тонких полосок (гребенок) или сеток, рабочей длиной в поперечный размер (или менее) СПЗ. Поскольку поперечный размер СПЗ для меди составляет 3 мм, то для других химических элементов, например, алюминия необходимо предварительно определить размер СПЗ согласно вышеуказанной статистической методики. Толщина каждого медного монослоя должна составлять, к примеру, 400 нм. Можно использовать и другие толщины. Все монослои должны быть одинаковыми, т.е. однотипными. При использовании меди, таким образом, длина рабочей части элементарного проводника составляет не более Змм (т.е. поперечного размера сверхпроводниковой зоны или кластера). Каждый медный слой пленки оксидируется любым известным способом, например, электротермическим отжигом.
На медной пленке при этом создается тонкий оксидный слой из CuO, Cu2O или CuO2, образующий в свою очередь СПЗ. Сверху оксидной пленки накладыва- ется второй слой меди, который также подвергается оксидированию. Этот цикл повторяется N раз (для случая, когда цепь сверхпроводниковая цикл повторяется в N > 100 раз, если цепь не сверхпроводниковая, а просто с низким сопротивлением, то цикл повторяется в N < 100). В результате образуется многослойная сто- пa(или пучок) с тонкой оксидной прослойкой. Сопротивление R такого много- слойного пучка задается и рассчитывается из формулы 1 или 2 в зависимости от назначения токопроводящей цепи. Описанный многослойный медный проводник имеет ограниченные линейные размеры (не более поперечного размера СПЗ, т.е. 3 мм). Для увеличения протяженности полученного таким способом проводника, к нему наращивают таким же послойным методом, до требуемого размера, еще ряд таких же Одинаковых многослойных (пучковых) элементарных звеньев, в резуль- тате которого получается пучковый или многослойный (из N слоев) длинномерный проводник цепочечного строения из Z элементарных звеньев цепи. При этом возможна не полосковая, а тетрагональная (квадратная) конфигурация элементарного звена. В этом случае линейные размеры проводника увеличиваются путем наращивания к каждой из 4-х сторон элементарного квадратного пучкового звена.
При шестиугольной (гексагональной сотовой) конфигурации многослойного элементарного звена-проводника, если наращивать звенья к каждой из шести сторон многоугольника получается многослойный сверхпроводниковый материал с сотовой структурой. Пример 2. Длинномерный проводник.
Берется проволока различной длины и толщины. Путем экспериментального построения функций распределения для различных длин и толщин определяется размер СПЗ. Рассмотрим пример для медной проволоки.
Берется N≥ЮО проволок толщиной менее 120 мкм из меди. Каждая проволока оксидируется термоотжигом толщиной слоя менее 1 мкм из CuO,
Cu2O или CuO2.. Далее из числа N > 100 проволок покрытых оксидным слоем выполняется длинномерное витое изделие с линейно-точечным касанием с шагом свивки, равном поперечному размеру СПЗ, т.е. для меди равном Змм.
Сопротивление R такого длинномерного проводника задается и контролируется соотношением (1) и (2), исходя из числа N составляющих элементов пучка.
Пример 3. Сверхпроводниковые р-п переходы в полупроводниковых приборах.
Берется полупроводниковая подложка п или р типа проводимости. На подложке в зависимости от назначения прибора формируют число N р-п переходов с прилегающими диффузионными обрастями. Геометрические размеры переходов снижают до бесконечно малой величины (другими словами их делают точечными), а число N р-п переходов увеличивают до бесконечно больших значений. Затем число N р-п переходов во внутренней структуре полупроводникового прибора, объединяют с помощью сверхпроводниковых электродов или шины в параллельную цепь, образуя токовый узел.
В таких пучковых полупроводниковых приборах внутреннее сопротивление р-п переходов равно нулю или стремится к нему. В заключении следует отметить, что вышеприведенные примеры представлены лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преимуществ и ни в коей мере не охватывают все возможные частные случаи его осуществления.
Промышленная применимость Настоящее изобретение найдет применение при изготовления полимерных проводников, а также при использовании в различных токопроводящих цепях в электрических схемах, в кабелях для передачи электроэнергии, в колебательных контурах, катушках индуктивности, в обмотках двигателей, трансформаторов, генераторах.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ изготовления проводника электрического тока, в котором производят M серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, M - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=l..M) то- копроводящие элементы являются однотипными, и их число равно N1, по результатам измерений отбирают j -ю выборку из Nj однотипных элементов, в которой зафиксировано наименьшее значение сопротивления среди всех испытанных элементов, далее R > Nj токопроводящих элементов, каждый из которых имеет длину L < Ij, где Ij - длина элементов в j-й выборке, соединяют параллельно.
2. Способ по п.l, отличающийся тем, что токопроводящие элементы представляют собой пленки из токопроводящего материала.
3. Способ по п.l, отличающийся тем, что токопроводящие элементы представляют собой токопроводящие волокна.
4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что для любого i= 1..M значение Ni составляет не менее 100.
5. Проводник электрического тока, содержащий R однотипных токопроводящих элементов длиной L, соединенных параллельно, причем R > Nj, где Nj — число элементов в j-й выборке, отобранной по результатам проведе- ния M серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, где M - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=l..M) токопроводящие элементы являются однотипными, указанная j-я серия выбрана по наличию в ней токопроводящего элемента с наименьшим электрическим сопротивлением, и при этом L < lj5 где Ij - длина элементов в j-й выборке.
6. Проводник по п.5, отличающийся тем, что токопроводящие элементы представляют собой пленки из токопроводящего материала.
7. Проводник по п.5, отличающийся тем, что токопроводящие элементы представляют собой токопроводящие волокна.
8. Проводник по любому из пп.5-7, отличающийся тем, что для любого i= 1..M значение Ni составляет не менее 100.
PCT/RU2008/000431 2007-07-10 2008-07-03 Проводник электрического тока и способ его изготовления WO2009008772A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP08794049A EP2169688A1 (en) 2007-07-10 2008-07-03 Electric current conductor and method for the production thereof
EA201000143A EA016988B1 (ru) 2007-07-10 2008-07-03 Проводник электрического тока и способ его изготовления

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007126084/09A RU2336585C1 (ru) 2007-07-10 2007-07-10 Проводник электрического тока и способ его изготовления
RU2007126084 2007-07-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009008772A1 true WO2009008772A1 (ru) 2009-01-15

Family

ID=40041355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2008/000431 WO2009008772A1 (ru) 2007-07-10 2008-07-03 Проводник электрического тока и способ его изготовления

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2169688A1 (ru)
KR (1) KR20100049584A (ru)
EA (1) EA016988B1 (ru)
RU (1) RU2336585C1 (ru)
WO (1) WO2009008772A1 (ru)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102009421B1 (ko) 2017-04-25 2019-08-12 주식회사 엘지화학 포토폴리머 조성물
RU2709824C1 (ru) * 2019-01-22 2019-12-23 Броня Цой Пучковый проводник электрического тока и способ его изготовления
RU2709823C1 (ru) * 2019-01-22 2019-12-23 Броня Цой Пучковый материал и способы его изготовления

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0256976A (ja) * 1988-08-22 1990-02-26 Mitsubishi Mining & Cement Co Ltd 液面レベルセンサおよびその製造方法
JPH02258977A (ja) * 1989-03-30 1990-10-19 Canon Inc 電気特性監視成膜装置
RU2131157C1 (ru) 1993-11-12 1999-05-27 Жак Левинер Многослойный материал
RU2284593C2 (ru) 2004-10-26 2006-09-27 Броня Цой Электроизоляционный материал
RU2284267C2 (ru) 2004-11-10 2006-09-27 Броня Цой Материал для компонентов радиоэлектронных приборов

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0256976A (ja) * 1988-08-22 1990-02-26 Mitsubishi Mining & Cement Co Ltd 液面レベルセンサおよびその製造方法
JPH02258977A (ja) * 1989-03-30 1990-10-19 Canon Inc 電気特性監視成膜装置
RU2131157C1 (ru) 1993-11-12 1999-05-27 Жак Левинер Многослойный материал
RU2284593C2 (ru) 2004-10-26 2006-09-27 Броня Цой Электроизоляционный материал
RU2284267C2 (ru) 2004-11-10 2006-09-27 Броня Цой Материал для компонентов радиоэлектронных приборов

Non-Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Comprehensive Polytechnical Encyclopedic Dictionary", 1998, BOLSHAYA ROSSIYSKAYA ENTSIKLOPEDIA PUBLISHERS, pages: 204 - 205
AZZONI C.B.; PARAVICINI G.B.; SAMOGGIA G ET AL.: "Electrical Instability in CuO,_x: Possible Correlations with the CuO-based High Temperature Superconductors", Z. NATURFORSCH, vol. 45A, 1990, pages 790 - 794
AZZONI CB.; PARAVICINI G.B.; SAMOGGIA G ET AL.: "Electrical Instability in CuOi-x: Possible Correlations with the CuO-based High Temperature Superconductors", Z. NATURFORSCH, vol. 45, 1990, pages 790 - 794
GINSBURG V.L.: "Superconductivity: the Day before Yesterday, Yesterday, Today, and Tomorrow //Advances", PHYSICAL SCIENCE, vol. 170, no. 6, 2000, pages 619 - 630
GINSBURG V.L.: "Superconductivity: the Day before Yesterday, Yesterday, Today, and Tomorrow", ADVANCES IN PHYSICAL SCIENCE, vol. 170, no. 6, 2000, pages 619 - 630
KARTASHOV E.M.; TSOI B.; SHEVELEV V.V.: "The Structural and Statistical Kinetics of Polymer Destruction", 2002, KHIMIA PUBLISHERS, pages: 736
OSSIPOV V.V.; SAMOKHVALOV A.A.: "Giant Electroconductivity Anomalies at CuO-Cu Interface", PHYSICS OF METALS AND METAL SCIENCE, vol. 89, no. 5, 2000, pages 43 - 46
SCHONBERGER R.; OTTO H.H.; BRUNNER B.; RENK K.F.: "Evidence for Filamentary Superconductivity up to 220 K in Oriented Multiphase Y-Ba-CuO Films", PHISICA C, vol. 173, 1991, pages 159 - 162
SCHONBERGER R.; OTTO H.H.; BRUNNER B.; RENK K.F.: "Evidence for Filamentary Superconductivity up to 220 K", ORIENTED MULTIPHASE Y-BA-CUO FILMSLLPHISICA C, vol. 173, 1991, pages 159 - 162
TSOI B.: "About Three Scientific Discoveries Associated with the Discreteness Phenomenon", 2004, MIR-KHIMIA PUBLISHERS, pages: 208
TSOI B.; KARTASHOV E.M.; SHEVELEV V.V.: "THE STATISTICAL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS", 2004, BRILL ACADEMIC PUBLISHERS/VSP, pages: 522
YUGAI K.N.: "Encyclopedia of Koreans of Russia", 2003, RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES, article "Interaction between High-Power Pulsed Laser Radiation and the Surface of Ceramic YBCO Target", pages: 535 - 541

Also Published As

Publication number Publication date
EA016988B1 (ru) 2012-08-30
EP2169688A1 (en) 2010-03-31
EA201000143A1 (ru) 2010-04-30
RU2336585C1 (ru) 2008-10-20
KR20100049584A (ko) 2010-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Verebelyi et al. Low angle grain boundary transport in YBa2Cu3O7− δ coated conductors
CN107611249B (zh) 由极低电阻材料形成的电气、机械、计算和/或其他设备
JPH01218077A (ja) 超伝導体装置及び超伝導体装置の製造方法
CN101542648B (zh) 超导线圈和用于其中的超导导体
Jabur B2223 High Temperature Superconductor wires in silver sheath, Filament diameter effect on critical temperature and current density
RU2336585C1 (ru) Проводник электрического тока и способ его изготовления
Sainz-Cruz et al. Junctions and superconducting symmetry in twisted bilayer graphene
US20090156409A1 (en) Fault current limiter incorporating a superconducting article
Rivasto et al. Optimization of high-temperature superconducting bilayer structures using a vortex dynamics simulation
Rüfenacht et al. Electrostatic Modulation of the Superfluid Density in an Ultrathin La 2-x Sr x CuO 4 Film
Misawa et al. Quantum critical “opalescence” around metal–insulator transitions
CN110431677B (zh) 铜酸盐超导体及其制造及/或使用方法
Anderson et al. Structure-property relationships in the layered cuprate La2-xSrxCuSnO6
EP1205979A1 (en) Single electron tunneling transistor having multilayer structure
Cui et al. Electrical characteristics of Au and Ag Schottky contacts on Nb-1.0 wt%-doped SrTiO3
Jin et al. Development of a REBa2Cu3O7− δ multi-core superconductor with ‘inner split’technology
KR20220107119A (ko) 디바이스로서의 1-전극 셀 및 2개 이상의 직렬 셀
Al-Ruqaishi et al. Multilayer neural network models for critical temperature of cuprate superconductors
US9768370B2 (en) Low AC loss high temperature superconductor tape
JPH06132571A (ja) 限流素子および限流装置
JP7501938B2 (ja) 高温超電導線材、およびその製造方法
Grant Currents without borders
JP2829173B2 (ja) 超電導素子
Wei et al. Superconducting transition in a non-superconducting PrBa2Cu3O7 film triggered by interfacial carrier injection
JP3363164B2 (ja) 超電導導体

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08794049

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008794049

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201000143

Country of ref document: EA

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20107003009

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A