高溫超導(dǎo)體 - 山東大學(xué)物理學(xué)院-網(wǎng)站首頁

1、高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體 超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn) 超導(dǎo)體材料的探索超導(dǎo)體材料的探索 超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn) 1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98C時(shí)，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相啊類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。 這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng)。在他之后，人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生

2、熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中流大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。 1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感興強(qiáng)度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。 后來人們還做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸空不動(dòng)。高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體 超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的

3、發(fā)現(xiàn) 超導(dǎo)體材料的探索超導(dǎo)體材料的探索 超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)體材料的探索 超導(dǎo)材料的實(shí)用性是人們最為關(guān)注的事情,物理學(xué)家也就開始了研究高溫超導(dǎo)材料的歷程! 1911年至1986年間，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K。86年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30度，12月13日，又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導(dǎo)體，很快又發(fā)現(xiàn)了14度下存在超導(dǎo)跡象，高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。人們已著手尋找承受高磁場(chǎng)的超導(dǎo)物質(zhì)。例如具有高達(dá)絕對(duì) 溫度18K的錫鈮合金。它可以承受大約250000高斯

4、的磁場(chǎng)，這 強(qiáng)度確實(shí)是高的。在1954年發(fā)現(xiàn)這一事實(shí)。但是到1960年才研究出制造這種通常脆性合金電線的技術(shù)。釩和鎵 化合物可以做 得更好，已建成場(chǎng)強(qiáng)達(dá)500000高斯的超導(dǎo)電磁鐵。在氦中發(fā)現(xiàn)了另一種令人吃驚的低溫下的現(xiàn)象，稱為超流性。 高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體 超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn) 超導(dǎo)體材料的探索超導(dǎo)體材料的探索 超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用 超導(dǎo)發(fā)電 超導(dǎo)輸電 超導(dǎo)電磁推進(jìn) 超導(dǎo)磁懸浮列車 超導(dǎo)天線 超導(dǎo)發(fā)電 超導(dǎo)體對(duì)人類社會(huì)影響最大的將是提供更多的電力，超導(dǎo)用于發(fā)電的裝置目前有磁流體發(fā)電、超導(dǎo)電機(jī)發(fā)電、熱核聚變發(fā)電三種。 滋流體發(fā)電是一種高效、低污染、單機(jī)容量大、直

5、接將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N新型的發(fā)電方式。普通火力發(fā)電需把熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能，效率最高只有33一36。磁流體發(fā)電是讓煤（石油、天然氣）加氧化劑、添加劑燃燒產(chǎn)生的等離子體高速通過磁場(chǎng)，使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，磁流體一蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置最高效率達(dá)到55%，而且可自動(dòng)脫硫，污染小但這種發(fā)電方式目前遇到的困難是當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度在15特以上時(shí)，磁流體的鐵芯逐漸處于磁飽和，磁場(chǎng)強(qiáng)度很難再提高。于是人們就想到超導(dǎo)體，如果利用超導(dǎo)磁體，那么就很容易在較大體積內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)度為幾十特的磁場(chǎng)，且消耗的勵(lì)磁功率很小，它具有性能良好，質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)。例如，磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)4一5特的超導(dǎo)磁體，質(zhì)量只有300一500克，而要產(chǎn)

6、生同樣磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁體質(zhì)量卻有15一20噸。目前，美國、前蘇聯(lián)、日本都建有這種超導(dǎo)磁流體發(fā)電機(jī)。 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)發(fā)電是利用超導(dǎo)體制造發(fā)電機(jī)磁極繞組，不僅可大大增加發(fā)電機(jī)的極限輸出容量，而且效率高，體積小，質(zhì)量小，可節(jié)約大量電能和金屬材料。常規(guī)的兩極發(fā)電機(jī)的極限輸出在現(xiàn)今條件下只能達(dá)到15*109瓦，但超導(dǎo)發(fā)電機(jī)則可達(dá)3*1010瓦，甚至更大。一臺(tái)6X106瓦的電動(dòng)機(jī)，常規(guī)質(zhì)量為370X103千克，采用超導(dǎo)體材料僅重40X103千克；又如目前已建成的一臺(tái)5X106瓦超導(dǎo)交流發(fā)電機(jī)，其功耗比普通電機(jī)減少三分之二，體積縮小百分之八十以上。因此有人估計(jì)，超導(dǎo)體可以把發(fā)電成本降低60，可以把經(jīng)電纜輸電的成本降

7、低10，這些優(yōu)點(diǎn)使得它特別適宜于建造高效率的大型發(fā)電站、移動(dòng)電源及做為太空飛船的動(dòng)力設(shè)備。 超導(dǎo)體還可幫助科學(xué)家建立核聚變發(fā)電系統(tǒng)，這種發(fā)電系統(tǒng)是以氫做燃料的，其反應(yīng)溫度與太陽的溫度一樣高。從理論上講這種能源是取之不盡的，在實(shí)踐上，關(guān)鍵問題是如何生成足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)來控制劇烈的熱核反應(yīng)，超導(dǎo)材料將能夠解決這個(gè)問題。超導(dǎo)輸電 目前輸電均采取高壓交流輸電，損耗較大，降低了有效的電能利用超導(dǎo)體的零電阻這個(gè)特性，可以制成超導(dǎo)電纜，無損耗地輸電，不但輸電效率高而且可以節(jié)約材料，避免鋪設(shè)高架電纜，降低輸電成本。這種超導(dǎo)電纜能傳輸幾十萬兆瓦的功率，它還能在較低的電壓下，傳輸強(qiáng)大的電流。如一條三相超導(dǎo)電纜能在3

8、5干伏電壓下，傳輸104安培的電流。美國曾制成一種錫鈮超導(dǎo)電纜，把三根直徑為14厘米的345千伏超導(dǎo)電纜裝置在直徑為45厘米的高絕熱導(dǎo)管中，就可輸送像整個(gè)紐約這樣大城市的全部用電。 超導(dǎo)電磁推進(jìn) 超導(dǎo)電磁推進(jìn)的裝置是在船體內(nèi)安裝一個(gè)超導(dǎo)磁體，它會(huì)在海水中產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)。同時(shí)，在船體兩側(cè)安裝一對(duì)強(qiáng)大的電極，使海水在兩極間產(chǎn)生很大的電流。由于磁場(chǎng)和海水中電流的相互作用，海水在船后對(duì)船體產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的推力。這時(shí)海水和電極相當(dāng)于轉(zhuǎn)于和電樞，利用與電機(jī)相同的原理就可推動(dòng)船體前進(jìn)。 世界上第一艘“超導(dǎo)船”于1992年1月27日在日本神戶下水，它以超導(dǎo)電磁為動(dòng)力，其外型看起來像是鯨魚與太空火箭的混今體，

9、長30米，理論最高時(shí)速可達(dá)每小時(shí)200公里左右。超導(dǎo)磁懸浮列車 磁懸浮列車從原理上講可分為兩種：一種是超導(dǎo)感應(yīng)推斥式（電動(dòng)型）磁懸?。ê?jiǎn)稱EDS），它是利用裝載在列車上的超導(dǎo)磁體和地面上導(dǎo)體中的感應(yīng)電流之間的推斥力使列車懸浮起來的方式；另一種是電磁吸引式（電磁型）磁懸?。ê?jiǎn)稱EMS），其原理可參考中學(xué)物理教學(xué)參考1994年第11期第47頁。 超導(dǎo)磁懸浮列車是人們根據(jù)超導(dǎo)體的完全抗磁性設(shè)計(jì)出的一種高速列車，最初是在1968年由美國人伯維爾和當(dāng)比首先提出的，1970年試制了超導(dǎo)磁懸浮基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置，1971年3月確認(rèn)了實(shí)驗(yàn)與理論的一致性，使開發(fā)前進(jìn)了一大步。1972年世界上第一臺(tái)超導(dǎo)感應(yīng)推斥式（電動(dòng)

10、型）磁懸浮列車ML100在日本研制成功，所用的超導(dǎo)材料是鈮錫合金。這種列車每一節(jié)車廂下面的車輪旁，都裝有小型的超導(dǎo)磁體，在軌道的兩旁，有一系列閉合的鋁環(huán)，整個(gè)列車由埋在地下的直線型同步馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)列車向前行駛時(shí)，超導(dǎo)磁體則在軌道面產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，并和軌道旁的鋁環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在鋁環(huán)內(nèi)感生出強(qiáng)大的電流。由于超導(dǎo)磁體和鋁環(huán)的相互排斥作用，就產(chǎn)生一種向上的浮力把列車凌空托起，消除了車輪與鋼軌的摩擦阻力。另外速度愈大排斥力就愈大，當(dāng)速度超過一定值（80千米小時(shí)）時(shí)，列車就脫離路軌表面，最大距離可達(dá)數(shù)厘米以上，其懸浮是自穩(wěn)定的，無須加任何主動(dòng)控制。由于采用大氣隙懸浮，即使車體稍許不平衡，或車體與軌道少許對(duì)不

11、準(zhǔn)，或軌道上有冰雪之類雜物，均不影響列車運(yùn)行的安全性，在低速行駛時(shí)，要靠輔助車輪支撐。一列乘載百人的磁懸浮列車，只要75千瓦的功率，就能使行駛速度達(dá)到每小時(shí)50O公里以上。 與普通列車相比，磁懸浮列車具有以下優(yōu)點(diǎn)：速度快。磁懸浮列車的速度只受限于空氣阻力，比普通列車受限于輪軌間的摩擦力小得多，是陸上最快的交通工具，日本的ML500曾創(chuàng)下了時(shí)速571千米的陸面交通工具的世界最高紀(jì)錄。乘坐平穩(wěn)舒適，噪音低。占地面積小。能耗低，安全可靠，被認(rèn)為是一種很有前途的交通工具。 超導(dǎo)天線 天線，不管是接收天線，還是發(fā)射天線，只有在天線長度與其波長相接近的情況下，才能最有效地工作。但在實(shí)際情況中，這一點(diǎn)無法完全做到，特別是攜帶式無線電接收機(jī)和發(fā)射機(jī)上的天線。由于這些天線的長度都只為其波長幾分之一，甚至數(shù)十分之一，因此，它們的效果受到很大的影響。例如，天線的長度為其波長的20分之一，那么