ПРОВОДНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H01B12/06 

Изобретение относится к проводникам электрического тока, в частности, имеющим низкие и сверхнизкие значения сопротивления в широком интервале рабочих температур, сверхпроводникам.

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 (273K 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 293K). 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 скачкообразное 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 обосновывалось теоретически и причем преимущественно для материалов, охлажденных до сверхнизких температур от 0 до 77K [1-2]. Низкотемпературные условия этих явлений не позволяют их использовать в обычных высокотемпературных, например, при 293К и выше.

С тех пор основные усилия по достижению сверхпроводимости были связаны с изменением температуры опыта. Не найдя это явление для целого ряда классических 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 Т>273К или по крайней мере добиться стабильного воспроизведения эффекта сверхпроводимости исследователям 20 века не удалось [1].

Используемый в данном случае термин «сверхпроводник» относится к проводнику 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 «сверхнизкое 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, промышленности и электронике.

В патентной литературе известны сверхпроводящие материалы из пленок на основе CuO_1-x [3] и Y-Ba-Cu-O [4], обогащенные медью, скачкообразное аномальное падение электрического сопротивления которых до нуля (или сверхпроводимость) наблюдалось в области температур 180-220K.

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. «невоспроизводимая сверхпроводимость», «блуждающая 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 [5]. В таком проводнике в области температур от 73K до 420K наблюдался большой экспериментальный разброс: величина удельного электросопротивления снижалась в отдельных образцах на два порядка и более, колебалась соответственно от обычного значения, равного 1,55·10^-8 Ом·м до 7,8·10^-11 Ом·м. Более того, в этом материале после электротермического отжига при температуре 300-400°С и более сопротивление у отдельных образцов (из-за возникновения в интерфейсе CuO - Cu дополнительных зон или кластеров со сверхнизким сопротивлением) снижалось аномально катастрофически - от нескольких до 150000 раз. Таким образом, в таком электропроводящем материале, наряду с катастрофическим падением сопротивления [5], наблюдается огромный экспериментальный разброс и нестабильность значений сопротивления от обычных значений для отдельных образцов из меди (с удельным электрическим сопротивлением в 1,55·10^-8 Ом·м) до практически нулевого значения для других образцов. Огромный экспериментальный разброс величины сопротивления в образцах материала [5] свидетельствует о стохастичности и «блуждающем» характере наблюдаемого эффекта. Недостатком такого рода проводников являются громадный разброс и стохастичность, а как следствие, «блуждающий» характер нулевого сопротивления, не позволивщий их использовать в уровне техники.

Известны так называемые лицендраты [6], 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 Ca_1-xM_x и т.д. [7].

Недостатками этого многослойного материала являются прежде всего сложность строения и изготовления, сравнительно низкое значение критической температуры, составляющей 250 K. Т.е. для того, чтобы материал приобрел свойство сверхпроводимости, необходимо его охладить до 250K, 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 технологичности.

Изобретение направлено на создание проводников, обладающих низким и сверхнизким значением сопротивления в широком температурном интервале: от сверхнизких температур до 420K 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 М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов. М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1...M) токопроводящие элементы являются однотипными, и их число равно N_i, 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≤l_j, где l_j - длина элементов 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 М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, где М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1...M) токопроводящие элементы являются однотипными, указанная j-я серия выбрана по наличию в ней токопроводящего элемента с наименьшим электрическим сопротивлением, и при этом L<l_j, где l_j - длина элементов в j-й выборке.

В предпочтительных случаях токопроводящие элементы представляют собой 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 установленными и разработанными 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 исследователю 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 сопротивление можно получить воздействием (изменением) не только температуры, а, например, изменением масштаба, токовой нагрузки или частоты воздействующего тока (при неизменности какого-либо параметра, например температуры, т.е. Т=const) на проводник.

Многочисленные данные из патентной литературы, подытоженные в [1] и подтвержденные в наших экспериментах, позволили со всей достоверностью установить, что в несверхпроводящих материалах (проводниках) тем или иным способом создаются или образуются «блуждающие» высокотемпературные сверхпроводящие зоны (или кластеры), в дальнейшем 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 хаотически и статистически случайно. При этом закономерность их поведения и линейные размеры до настоящего времени были не ясны [1, 3-5]. Результатом такого статистически случайного расположения СПЗ и явилось проявление «блуждающего» или «невоспроизводимого» эффекта сверхпроводимости. В уровне техники отсутствуют способы нахождения и устранения «блуждающих» эффектов.

В предлагаемом изобретении для осуществления технического результата используются обычные классические проводники, например медь, алюминий или серебро, или другие несверхпроводящие материалы, включая полупроводники с n и p 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, сводится 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 сопротивлений по номерам последовательности n в порядке возрастания номера образца (1, 2, 3 ... n). Практически для получения гарантированных и воспроизводимых результатов 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 образцов-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, ширину, 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, 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 электрода.

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 токопроводящих 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 условиях 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 (см. раздел «Экспериментальные доказательства», 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 L_i=0. Нулевое значение индуктивности свидетельствует об отсутствии магнитного поля внутри этих образцов сверхпроводников, т.е. их принадлежности к сверхпроводникам второго рода [1]. Для серебряных проводников минимальная длина, при которой в серии нашелся бы хоть один образец с нулевым значением сопротивления, соблюдается аналогичная закономерность: размер образца, при котором 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 значения 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 [8-9]. Дефектами могут быть различные неоднородности структуры, несовершенства в кристаллической решетке, примеси, включения, микроразрывы, дислокации и т.д. [8-9]. 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 проявляются. 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 «Экспериментальные 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. Следовательно, сверхнизкие значения сопротивления связаны как наличием в материале сверхпроводниковых зон, так и экспериментальным разбросом, обусловленным масштабно-статистической, термофлуктуационной и релаксационной природой разброса данных эксперимента [8-10]. Поскольку в наших опытах с медной и серебряной проволокой нулевое сопротивление в серии проводников наблюдались при снижении длины образцов менее 4000 мкм, то эти величины и соответствуют поперечным размерам сверхпроводниковых зон (или кластеров), обнаруженных многократно исследователями 20 века [1] и обнаруженных и измеренных методами статистики авторами предлагаемого изобретения.

Зная теперь поперечный размер сверхпроводниковой окисной зоны, например, для купратов, составляющей менее 4 мм, можно гарантированно 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 «однотипный» означает одинаковый, выполненный однотипным (одинаковым) образом, в одних и тех же технологических условиях, имеет одинаковую массу, размеры, форму и т.д. Термин «отдельный» означает его изолированность и обособленность каждого элемента-образца в статистической выборке. При соединении концов этих элементов к двум противоположным токовым электродам образуется параллельная электрическая цепь, при подаче на которую 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, составленную 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, составленную 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 дополнительно следующие определения. В соответствии с уровнем развития техники [8-13] 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 другу (или друг над другом) 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 плоскопараллельное расположение 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 с наличием сверхпроводниковой оксидной зоны, так и с ее отсутствием, но прежде всего наличием при таких малых размерах проводников масштабно-статистического, термофлуктуационного и релаксационного разброса значений сопротивления от нулевого значения до обычных и как угодно большого [8-10]. 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 (например, в толщину с атомарный или мономолекулярный размер) гарантирует и увеличивает вероятность получения сверхпроводника. Например, число N может быть равным 100, 1000, 10000, 100000, 1000000, 10000000 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 электродам, 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 является 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 стохастичности 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

где Р - есть экспериментально установленная доля сверхпроводящих элементов в их выборке из числа элементов, подготовленных к изготовлению многоэлементной токопроводящей структуры; Р₀ - доверительная вероятность, с которой в многоэлементной токопроводящей структуре должен быть хоть один проводник с СПЗ;

2) при отсутствии проводников с СПЗ

где Р - экспериментально установленная доля проводников с сопротивлением

R<R₀, R₀ - нижняя граница сопротивления образцов, доля которых есть Р, R_э - требуемое или заданное сопротивление пакета.

В соотношениях 1 и 2 не берутся в расчет размеры токопроводящих элементов, 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 проводника. 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 (см. раздел «Экспериментальные доказательства»). 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.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА

Экспериментальные результаты, статистический разброс значений сопротивления и реальность получения сверхпроводниковых материалов.

Результаты экспериментальных статистических измерений электросопротивлений на примере медных и серебряных проводников представлены в таблицах 1 и 2, на фиг.1-5.

На фигурах и в таблицах приняты следующие обозначения.

Таблица 1. Характеристики экспериментального разброса данных измерений сопротивления электрическому току для образцов из медной проволоки толщиной 120 мкм различной длины.

Таблица 2. Распределение значений электрического сопротивления R и индуктивности L_i; для медной проволоки толщиной 120 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности n.

Таблица 3. Распределение значений электрического сопротивления R и индуктивности L_i для проволоки из серебра толщиной 100 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности n.

Фиг.1. Интегральные кривые распределения значений электросопротивлений для медных проводников различной длины (N=1; длина 3 мм, 30 мм, 110 мм, 200 мм) толщиной 120 мкм.

Фиг.2. Интегральные кривые распределения значений электросопротивлений 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.3. Интегральные кривые распределения значений электросопротивлений пучковых медных проводников с числом проводников N=1, 4, 8 и 100; длина образца 3 мм: толщина - 75 мкм

Фиг.4. Влияние числа элементов N и частоты f на интегральные кривые электросопротивления пучкового медного проводника длиной 3 мм и толщиной 120 мкм.

Из таблицы 1, на которой представлены характеристики экспериментального разброса данных измерений сопротивления электрическому току для образцов медного проводника толщиной 120 мкм с различной длиной рабочей части, 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 составляет 0,049000-0,149600 Ом, т.е. уже не совсем «медную величину», не согласующуюся со справочными данными [10]. 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 (см. табл.2 и табл.3). При падении сопротивления до нуля индуктивность при этом также снижается до нуля, т.е. в таком проводнике внутри отсутствует магнитное поле (табл.2 и 3).

В табл.2 и 3 представлены данные серии измерений сопротивлений медных и серебряных проводников длиной 3 мм и толщиной соответственно в 120 и 100 мкм. На фиг.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 незначителен, см. также табл.1 и 2) значений нулевых и близких к нулю в них не наблюдается.

Если теперь образцы, соответствующие длине 3 мм (см. фиг.1) 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 падает. 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 гарантированно все пучки имеют нулевые сопротивления (фиг.2). Аналогичные данные получены для проводников длиной 3 мм и толщиной в 75 мкм (см. фиг.3).

Измерения вольт-амперных характеристик показали, что выполненные таким путем пучковые проводники выдерживают значительные токовые нагрузки. Если обычная медь по справочным данным выдерживает силу тока всего в 5 А/мм², то согласно изобретению пучок из 4-х 120 микронных медных проволок выдерживает более 1000 А/мм².

Исследование влияния частоты воздействующего тока, при которой измеряется сопротивление электрическому току, подтверждает 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.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОВОДНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

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 З мм (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 оксидньщ слой из CuO, Cu₂O или CuO₂, образующий в свою очередь СПЗ. Сверху оксидной пленки накладывается 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 стопа (или пучок) с тонкой оксидной прослойкой. Сопротивление R такого многослойного 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 результате 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≥100 проволок толщиной менее 120 мкм из меди. Каждая проволока оксидируется термоотжигом толщиной слоя менее 1 мкм из CuO, Cu₂О или CuO₂. Далее из числа N≥100 проволок, покрытых оксидным слоем, выполняется длинномерное витое изделие с линейно-точечным касанием с шагом свивки, равным поперечному размеру СПЗ, т.е. для меди равным 3 мм. Сопротивление R такого длинномерного проводника задается и контролируется соотношениями (1) и (2) исходя из числа N составляющих элементов пучка.

Пример 3. Сверхпроводниковые p - n-переходы в полупроводниковых приборах.

Берется полупроводниковая подложка n или p-типа проводимости. На подложке в зависимости от назначения прибора формируют число N p - n-переходов с прилегающими диффузионными обрастями. Геометрические размеры переходов снижают до бесконечно малой величины (другими словами, их делают точечными), а число N p - n-переходов увеличивают до бесконечно больших значений. Затем число N p - n-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 p - n-переходов равно нулю или стремится к нему.

В заключение 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. Специалисту в данной области техники ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, например с полимерными проводниками, а также использования, в том числе в различных токопроводящих цепях в электрических схемах, в кабелях для передачи электроэнергии, в колебательных контурах, катушках индуктивности, в обмотках двигателей, трансформаторов, генераторах и т.д. Таким образом, все эти варианты будут находиться в рамках объема притязаний, определяемого исключительно прилагаемой формулой.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Гинзбург В.Л. / Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. // Успехи физических наук. 2000, том 170, №6. С.619-630.

2. Югай К.Н. / Взаимодействие мощного импульсного лазерного излучения с поверхностью керамической YBCO мишени. // Энциклопедия корейцев России. Москва, РАЕН, 2003. С.535-541.

3. Azzoni C.B., Paravicini G.B., Samoggia G, et al. Electrical Instability in CuO1-x: Possible Correlations with the CuO-based High Temperature Superconductors. // Z.Naturforsch. 1990. V.45 a. P/790-794.

4. Schonberger R., Otto H. H., Brunner В., Renk K.F. Evidence for Filamentary Superconductivity up to 220 К in Oriented Multiphase Y-Ba-CuO Films // Phisica C.1991. V.173. P.159-162.

5. Осипов В.В., Самохвалов А.А. / Гигантские аномалии электропроводности в интерфейсе CuO-Cu. // Физика металлов и металловедение, 2000, т.89, №5, С.43-46.

6. Большой энциклопедический словарь Политехнический. Москва: изд. «Большая Российская энциклопедия», 1998. С.204-205.

7. Патент RU 2131157 C1, 27.05.1999.

8. Tsoi В., Kartashov E.M. and Shevelev V.V. THE STATISTIKAL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS. Utrecht-Boston. Brill Academic Publishers / VSP.2004. 522 p.

9. Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с.

10. Цой Б. О трех научных открытиях, связанных с явлением дискретности. Москва, Мир - Химия. 2004. 208 с.

11. Цой Б., Лаврентьев В.B. / Материал для компонентов радиоэлектронных приборов. Пат. РФ №2284267. приоритет от 10.11.2004 г.

12. Цой Б., Лаврентьев В.В. Карташов, Э.М., Шевелев В.В. / Электроизоляционный материал. Пат РФ №2284593, приоритет от 26.10.2004 г.

13. Цой Б., Карташов, Э.М., Шевелев В.В., Цой С..Б. / Материал для защиты от ударных воздействий. // Заявка. Патент РФ. №2005126360. Приоритет от 22.08.2005 г.

Таблица 1.Характеристики экспериментального разброса данных измерений сопротивления электрическому току для образцов из медной проволоки толщиной 120 мкм различной длины.Длина проводника l, ммНачальное R_H и конечное значение R_K функции распределения R_H; R_K, OмРазмах варьирования функции распределения R_V=R_K-R_HЭкспериментальный разброс значений сопротивления R_V/R_K×100, %30,000000; 0,2010000,20100∞300,049000; 0,1496000,100602051100,167200; 0,1947000,027502,752000,311300; 0,3256000,014301,43

Таблица 2.Распреление значений электрического сопротивления R и индуктивности L_i для медной проволоки толщиной 120 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности n.Порядовый номер образца nR, OмLi, mHПорядковый номер образца nR, OмL_i, mHПорядковый номер образца nR, OмL_i, mH12312312310,000000,00000360,002500,00005710,004600,0000720,000000,00000370,002500,00005720,006000,0000730,000100,00001380,002600,00005730,006100,0000740,000200,00001390,002600,00006740,006900,0000750,000300,00001400,002600,00006750,007000,0000760,000400,00001410,002600,00006760,007300,0000770,000500,00001420,002700,00006770,007800,0000780,000700,00001430,002800,00006780,007800,0000790,000800,00001440,002900,00006790,008000,00008100,000800,00001450,002900,00006800,008900,00008110,000900,00001460,002900,00007810,009700,00008120,000900,00002470,00300,00007820,010300,00008130,001000,00002480,00300,00007830,011200,00008140,001000,00002490,00300,00007840,013300,00008150,001000,00002500,003200,00007850,014200,00008160,001100,00002510,003200,00007860,014500,00008170,001100,00003520,003300,00007870,018000,00008180,001200,00003530,003300,00007880,018800,00008190,001200,00004540,003300,00007890,020900,00008200,001300,00004550,003300,00007900,023400,00008210,001300,00004560,003400,00007910,024100,00008220,001300,00004570,003400,00007920,033900,00008230,001400,00004580,00340,00007930,038600,00008240,001400,00004590,003600,00007940,046800,00009250,001500,00004600,003600,00007950,054700,00009260,001700,00004610,003600,00007960,055600,0001270,001700,00004620,003700,00007970,105500,0001280,001900,00004630,003800,00007980,118300,0001290,00190,00004640,003800,00007990,121200,00212300,002200,00004650,003900,000071000,201000,00538310,002200,00004660,003900,00007   320,002200,00004670,004100,00007   330,002300,00004680,004200,00007   340,002400,00005690,004300,00007   350,002400,00005700,004400,00007   

Таблица 3.Распределением значений электрического сопротивления R и индуктивности L_i для проволоки из серебра толщиной 100 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности n.Порядковый номер образца nR, OмLi, mHПорядковый номер образца nR, OмL_i, mHПорядковый номер образца nR, OмL_i, mH12312312310,000000,00000360,010430,00005710,011130,0000620,000310,00001370,010490,00005720,011130,0000630,001640,00002380,010490,00005730,011160,0000640,001810,00003390,01050,00005740,011180,0000650,009930,00004400,010530,00005750,011280,0000660,009930,00004410,010540,00005760,01130,0000670,009960,00004420,010540,00006770,011320,0000680,009980,00004430,010560,00006780,011340,0000690,009980,00005440,010570,00006790,011370,00006100,009980,00005450,01060,00006800,011380,00006110,009990,00005460,010640,00006810,01140,00006120,010,00005470,010640,00006820,011420,00006130,010,00005480,010670,00006830,011460,00006140,010020,00005490,010670,00006840,011460,00006150,010040,00005500,010680,00006850,011470,00006160,010040,00005510,010690,00006860,011530,00006170,010050,00005520,010760,00006870,011610,00006180,010110,00005530,010770,00006880,011610,00006190,010210,00005540,01080,00006890,011630,00006200,010210,00005550,010820,00006900,011680,00006210,010210,00005560,010820,00006910,01170,00006220,010230,00005570,010820,00006920,011750,00006230,010250,00005580,010830,00006930,011870,00006240,010310,00005590,010830,00006940,011920,00006250,010330,00005600,010860,00006950,011980,00006260,010350,00005610,010870,00006960,012010,00006270,010360,00005620,010890,00006970,012010,00006280,010370,00005630,010890,00006980,012060,00007290,010420,00005640,010930,00006990,012170,00007300,010430,00005650,010950,000061000,012270,00007310,009330,00005660,010960,000061010,012420,00007320,009510,00005670,011010,000061020,012520,00007330,009640,00005680,011020,000061030,012640,00007340,009810,00005690,011020,000061040,012740,00007350,009930,00005700,011060,000061050,017210,00007

Изобретение относится к проводникам электрического тока, в частности имеющим низкие и сверхнизкие значения сопротивления в широком интервале рабочих температур, сверхпроводникам. Согласно первому аспекту предложен способ изготовления проводника электрического тока, в котором производят М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1...M) токопроводящие элементы являются однотипными и их число равно N_i, 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<l_j, где l_j - длина элементов в j-й выборке, соединяют параллельно. Согласно второму аспекту предложен 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 проведения М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, где М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1...M) токопроводящие элементы являются однотипными, указанная j-я серия выбрана по наличию в ней токопроводящего элемента с наименьшим электрическим сопротивлением, и при этом L<l_j, где l_j - длина элементов в j-й выборке. В результате обеспечивается получение проводников с низкими и сверхнизкими значениями сопротивления. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.

1. Способ изготовления проводника электрического тока, в котором производят М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1...М) 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≤lj, где lj, - длина элементов в j-й выборке, соединяют параллельно.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что токопроводящие элементы представляют собой пленки из токопроводящего материала.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что токопроводящие элементы представляют собой токопроводящие волокна.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для любого i=1...М 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 проведения М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, где М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1...M) токопроводящие элементы являются однотипными, указанная j-я серия выбрана по наличию в ней токопроводящего элемента с наименьшим электрическим сопротивлением, и при этом L≤lj, где lj - 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.