超導(dǎo)體的應(yīng)用

超導(dǎo)體現(xiàn)象及應(yīng)用Structuredthinking什么是超導(dǎo)體Structuredthinking?NO.1超導(dǎo)體Structuredthinking超導(dǎo)體是指能進(jìn)行超導(dǎo)傳輸?shù)膶?dǎo)電材料，零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。1911年，荷蘭科學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時(shí)，水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，超導(dǎo)現(xiàn)象就此被發(fā)現(xiàn)。超導(dǎo)體按材料可以分為第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體，按解釋理論可分為傳統(tǒng)超導(dǎo)體和非傳統(tǒng)超導(dǎo)體、按臨界溫度可分為高溫超導(dǎo)體和低溫超導(dǎo)體，按材料可分為化學(xué)材料超導(dǎo)體和有機(jī)超導(dǎo)體。StructuredthinkingNO.2超導(dǎo)體的應(yīng)用

一、超導(dǎo)輸電目前由于電阻熱效應(yīng)在電能傳輸中造成的損失約占總發(fā)電量15％左右，大量的電能被白白損耗掉，造成能源的巨大浪費(fèi).所以超導(dǎo)體的無電阻性在技術(shù)上有重大應(yīng)用價(jià)值。如果實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)輸電，就可以避免導(dǎo)體的電阻熱效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)大功率、長距離輸電，從而大大降低電能的損耗，極大地提高電能的利用率。StructuredthinkingNO.1超導(dǎo)體二、超導(dǎo)機(jī)電設(shè)備電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器的線圈都是利用導(dǎo)線繞制的，導(dǎo)線有電阻，通電就發(fā)熱，電流過大就有燒壞線圈的危險(xiǎn)。而利用超導(dǎo)體的無阻性，就可以在導(dǎo)線中通過很大的電流，使電磁鐵形成強(qiáng)大磁場。這樣就可以把大功率變壓器、大型電機(jī)的體積大大地縮小.重量大大減輕，同步電抗小，穩(wěn)定性好．Structuredthinking三、超導(dǎo)儀表通訊設(shè)備超導(dǎo)體的無電阻性還可以大大地減小了微電子線路中熱噪聲，從而極大地提高電子儀器測量的靈敏度，所以可以利用超導(dǎo)制成運(yùn)算速度更快的超導(dǎo)體巨型電子計(jì)算機(jī)，還可以用超導(dǎo)來傳遞電信號(hào)，做到迅速、準(zhǔn)確、大容量、無衰減。NO.1超導(dǎo)體NO.1超導(dǎo)體傳統(tǒng)的鐵路車輛由于車輪和鐵軌磨損嚴(yán)重，以及車輪與鐵軌的摩擦力，限制了車速．而超導(dǎo)磁懸浮列車則是在每節(jié)車廂下邊的車輪旁邊都安裝有小型超導(dǎo)磁體，在軌道兩旁埋設(shè)有一系列閉合的鋁環(huán)，在超導(dǎo)磁體的線圈中電流就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場.列車開動(dòng)后，超導(dǎo)磁體相對于鋁環(huán)運(yùn)動(dòng)，在鋁環(huán)里感應(yīng)出很強(qiáng)的電流，并相應(yīng)形成極強(qiáng)的磁場。鋁環(huán)產(chǎn)生的磁場與車上超導(dǎo)磁體的磁場方向相反，相互排斥，使車上的超導(dǎo)磁體受到軌道鋁環(huán)向上的托力，把列車凌空托起，摩擦阻力很小，列車時(shí)速可高達(dá)幾百千米以上，且磨損小，維修少，成本低。所以超導(dǎo)磁懸浮列車是一種高速、安全、無污染的新型列車，是名副其實(shí)的綠色交通工具

四、超導(dǎo)磁懸浮列車NO.1超導(dǎo)體醫(yī)用核磁共振成像儀，可測定生物體中氫原子核以及特定原子核構(gòu)成的物質(zhì)，通過核磁共振掃描，檢測生物體組織發(fā)生的種種變化，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，把變化顯示出來，從而發(fā)現(xiàn)生物體組織的病變．由于磁共振成像不使用放射線，又不接觸人體，所以對人體組織無損害．使用超導(dǎo)磁體的磁共振成像，除可檢測出氫原子以外還可檢測出磷、鈉等的信息，這是由于使用超導(dǎo)磁體提高了共振頻率．此外，使用超導(dǎo)磁體的磁共振成像比使用常規(guī)磁體的磁共振成像還具有重量輕、磁場穩(wěn)定性好、磁場強(qiáng)度大、成像更為清晰等優(yōu)點(diǎn)．由于超導(dǎo)磁共振成像的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以用它來診斷的病癥范圍將大幅度擴(kuò)展，超導(dǎo)磁體共振成像可用于早期診斷腫瘤、腦髓及心血管疾患，并可用于測量血流、監(jiān)控醫(yī)療過程，還能了解人體的新陳代謝五、超導(dǎo)核磁共振儀1911年卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到－268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失；后來他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性。1913年卡末林—昂內(nèi)斯在諾貝爾領(lǐng)獎(jiǎng)演說中指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”，水銀在4.2K進(jìn)入了一種新狀態(tài)，由于它的特殊導(dǎo)電性能，可以稱為超導(dǎo)態(tài)”。1932年霍爾姆和卡末林—昂內(nèi)斯都在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隔著極薄一層氧化物的兩塊處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，沒有外加電壓時(shí)也有電流流過。1933年荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的一個(gè)極為重要的性質(zhì)。1935年德國人倫敦兄弟提出了一個(gè)超導(dǎo)電性的電動(dòng)力學(xué)理論。1950年美籍德國人弗茹里赫與美國伊利諾斯大學(xué)的巴丁經(jīng)過復(fù)雜的研究和推論后，同時(shí)提出：超導(dǎo)電性是電子與晶格振動(dòng)相互作用而產(chǎn)生的。他們都認(rèn)為金屬中的電子在點(diǎn)陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動(dòng)，并吸引其它電子形成了超導(dǎo)電流。接著，美國伊利諾斯大學(xué)的巴丁、庫柏和斯里弗提出超導(dǎo)電量子理論，他們認(rèn)為：在超導(dǎo)態(tài)金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對，無數(shù)電子對相互重疊又常?；Q搭配對象形成一個(gè)整體，電子對作為一個(gè)整體的流動(dòng)產(chǎn)生了超導(dǎo)電流。由于拆開電子對需要一定能量，因此超導(dǎo)體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預(yù)言了電子對能隙的存在，成功地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象，被科學(xué)家界稱作“巴庫斯理論”。這一理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)理論的正式建立，使超導(dǎo)研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段1953年畢派德推廣了倫敦的概念并得到與實(shí)驗(yàn)基本相符的超導(dǎo)穿透深度的數(shù)值。1960-1961年美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成隧道元件進(jìn)行超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，直接觀測到了超導(dǎo)能隙，證明了巴庫斯理論。他在大量實(shí)驗(yàn)中，曾多次測量到零電壓的超導(dǎo)電流，但未引起他的重視。1962年年僅20多歲的劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理研究生約瑟夫遜在著名科學(xué)家安德森指導(dǎo)下研究超導(dǎo)體能隙性質(zhì)，他提出在超導(dǎo)結(jié)中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導(dǎo)電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應(yīng)。當(dāng)外加直流電壓為V時(shí)，除直流超導(dǎo)電流之外，還存在交流電流，這個(gè)現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應(yīng)。將超導(dǎo)體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時(shí)超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)體中電子對運(yùn)動(dòng)提供了證據(jù)，使對超導(dǎo)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加深入。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測和其他電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。70年代超導(dǎo)列車成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)。超導(dǎo)列車是在車上安裝強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當(dāng)車輛行進(jìn)時(shí)，車上的磁體在地上的線圈中感應(yīng)起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機(jī)牽引下無摩擦地前進(jìn)，時(shí)速可高達(dá)500千米。1986年1月在美國國際商用機(jī)器公司設(shè)在瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室中工作的科學(xué)家柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導(dǎo)體，將超導(dǎo)溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學(xué)工學(xué)部又將超導(dǎo)溫度提高到37K。1987年1月初日本川崎國立分子研究所將超導(dǎo)溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導(dǎo)溫度提高到46K和53K。中國科學(xué)院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導(dǎo)體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象1987年2月16日美國國家科學(xué)基金會(huì)宣布，朱經(jīng)武與吳茂昆獲得轉(zhuǎn)變溫度為98K的超導(dǎo)體。1987年2月20日中國也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導(dǎo)體。1987年3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導(dǎo)體。1987年3月12日中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。1987年3月27日美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。1987年12月30美國休斯敦大學(xué)宣布，美籍華裔科學(xué)家朱經(jīng)武又將超導(dǎo)溫度提高到40.2K1987年日本鐵道綜合技術(shù)研究所的“MLU002”號(hào)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車開始試運(yùn)行。1991年3月日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個(gè)超導(dǎo)磁體。1991年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導(dǎo)線圈。該線圈電流密度達(dá)到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達(dá)到世界最高水準(zhǔn)。該研究所把這個(gè)線圈大型化后提供給國際熱核聚變堆使用。這個(gè)新型磁體使用的超導(dǎo)材料是鈮和錫的化合物。1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金會(huì)建造的超導(dǎo)船“大和”1號(hào)在日本神戶下水試航。超導(dǎo)船由船上的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場，船兩側(cè)的正負(fù)電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動(dòng)，磁場和電流之間的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)船舶高速前進(jìn)。這種高速超導(dǎo)船直到目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段，但實(shí)驗(yàn)證明，這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當(dāng)年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。1992年一個(gè)以巨型超導(dǎo)磁體為主的超導(dǎo)超級對撞機(jī)特大型設(shè)備，于美國得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過82億美元。1996年改進(jìn)高溫超導(dǎo)電線的研究工作取得進(jìn)展，制成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導(dǎo)體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導(dǎo)溫度的液氮的空管子上。2001年4月，340米鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)應(yīng)