超導(dǎo)現(xiàn)象介紹及應(yīng)用

1、超導(dǎo)現(xiàn)象介紹及應(yīng)用超導(dǎo)現(xiàn)象1超導(dǎo)介紹超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的特性超導(dǎo)材料超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用未來(lái)超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展2 1908年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯首次成功地把稱為“永久氣體”的氮液化，因而獲得4.2K 的低溫源，為超導(dǎo)準(zhǔn)備了條件，三年后即1911年，在測(cè)試純金屬電阻率的低溫特性時(shí)，他又發(fā)現(xiàn)，汞的直流電阻在4.2K時(shí)突然消失，多次精密測(cè)量表明，汞柱兩端壓強(qiáng)降為零，他認(rèn)為這時(shí)汞進(jìn)入了一種以零阻值為特征的新物態(tài)，并稱為“超導(dǎo)態(tài)”。昂尼斯在1911年12月28日宣布了這一發(fā)現(xiàn)。但此時(shí)他還沒(méi)有看出這一現(xiàn)象的普遍意義，僅僅當(dāng)成是有關(guān)水銀的特殊現(xiàn)象。超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)3邁斯納效應(yīng) 邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)

2、，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注：S表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)超導(dǎo)特性4觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開(kāi)錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場(chǎng)，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。5 逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)，記為Hc。有經(jīng)驗(yàn)公式： Hc(T)=Hc

3、(0)(1-T2/Tc2)正常態(tài)HHc(0)TcT臨界磁場(chǎng)超導(dǎo)態(tài)6把一塊磁鐵放在超導(dǎo)盤上，由于超導(dǎo)盤把磁感應(yīng)線排斥出去， 超導(dǎo)盤跟磁鐵之間有排斥力，結(jié)果磁鐵懸浮在超導(dǎo)盤的上 面7臨界電流 超導(dǎo)體無(wú)阻載流的能力也是有限的，當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界電流，記為Ic。目前，常用電場(chǎng)描述Ic(V) ，即當(dāng)每厘米樣品長(zhǎng)度上出現(xiàn)電壓為1V時(shí)所輸送的電流。Ic(V)IV失超8超導(dǎo)材料 1986年8月，IBM的蘇黎士研究室的米勒教授和貝德諾茲教授發(fā)現(xiàn)了一種銅氧化合物，它們?cè)?5K的溫度下電阻接近于0，一下子把超導(dǎo)溫度提高了12度；1986年12月，米

4、勒教授和貝德諾茲教授發(fā)現(xiàn)了一種新型的陶瓷超導(dǎo)體(此前超導(dǎo)體都是金屬)，這種超導(dǎo)體把超導(dǎo)性的臨界溫度又提高到了38K； 1987年初，美籍華人科學(xué)家朱經(jīng)武教授和他的學(xué)生吳茂琨發(fā)現(xiàn)了另外一種材料；釔鋇銅氧化物，使超導(dǎo)記錄提高到了93K。在這個(gè)溫度區(qū)上，超導(dǎo)體可以用廉價(jià)而豐富的液氮來(lái)冷卻，9 1998年7月，北京有研總院與其他單位共同研制成功中國(guó)第一根一米長(zhǎng)一千安培鉍系高溫超導(dǎo)直流輸電模型電纜。這項(xiàng)成果被兩院院士列為當(dāng)年中國(guó)十大科技進(jìn)展。此次研制成功的高溫超導(dǎo)帶材長(zhǎng)一百一十六米，寬三點(diǎn)六毫米，厚為零點(diǎn)二八毫米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長(zhǎng)度測(cè)量，77液氮溫度（零下一百六十九攝氏度）自場(chǎng)下臨界電流

5、達(dá)十二點(diǎn)七安培，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 德國(guó)Augsburg大學(xué)的科研人員近日宣布，其經(jīng)過(guò)研究發(fā)明了一種新型的超導(dǎo)電材料，該超導(dǎo)電體具有強(qiáng)大的電力傳輸能力，如果其得以廣泛應(yīng)用的話，將大大降低電力輸送線路的生產(chǎn)成本。這次他們研制的超導(dǎo)電材料，其實(shí)是利用現(xiàn)有的超導(dǎo)電材料制成，其工作性能良好，并且對(duì)生產(chǎn)工藝要求不高。10超導(dǎo)的應(yīng)用 下個(gè)世紀(jì)初高溫超導(dǎo)材料在電力方面的應(yīng)用將獲得突破性的進(jìn)展，在輸電電纜、限流器、變壓器等電力設(shè)備上都將有超導(dǎo)應(yīng)用的身影。液氮高溫超導(dǎo)材料以其相對(duì)比較高的溫度要求，能夠更容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)電力應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其推動(dòng)較為明顯。若把超導(dǎo)磁體運(yùn)用到發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)上就可以較好地解決人類

6、與日俱增的用電需求。目前發(fā)電機(jī)單機(jī)功率可達(dá)100萬(wàn) kW/H，到21世紀(jì)初需要增加到更大。發(fā)電機(jī)的輸出容量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電樞電流密度的乘積成正比。用超導(dǎo)磁體代替電磁鐵，磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度可分別提高許多倍。因此，在下一個(gè)世紀(jì)的電機(jī)中，電磁鐵將逐步被超導(dǎo)磁體取代。 在電力設(shè)備領(lǐng)域中，采用超導(dǎo)材料技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家及我國(guó)都已有幾十年的奮斗歷史，這是因?yàn)槔眠@種材料有利于設(shè)備的小型化、輕量化及高效化；抑制由于電力系統(tǒng)容量增大而增加的短路電流；解決因大電網(wǎng)而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問(wèn)題以及高密度、高可靠性的輸電問(wèn)題；對(duì)付峰值負(fù)載和降低價(jià)格等。 11 在磁場(chǎng)中生長(zhǎng)單晶爐是80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于

7、直接生長(zhǎng)單晶硅、砷化鎵和藍(lán)寶石等晶體。磁拉單晶生長(zhǎng)爐采用超導(dǎo)磁體有許多優(yōu)點(diǎn)，如線圈體積小、重量輕、耗電??；可以根據(jù)要求設(shè)計(jì)成形狀復(fù)雜的磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)集中、磁漏小等。目前已有采用超導(dǎo)磁體的磁拉單晶生長(zhǎng)爐出售，如英國(guó)牛津公司、日本三菱電氣公司、德國(guó)Interatom公司等。 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上有著非常廣泛的應(yīng)用前景，隨著超導(dǎo)技術(shù)的日益成熟，有朝一日海軍潛艇的設(shè)計(jì)會(huì)發(fā)生根本性的變革，出現(xiàn)比今天的潛艇要先進(jìn)的多的超導(dǎo)潛艇。其外形尺寸可能只有今天潛艇的一半，但所裝備的數(shù)量將增加一倍；航速將會(huì)提高。而噪音卻大大降低而且超導(dǎo)體在傳輸過(guò)程中不會(huì)損失電力。同時(shí)，超導(dǎo)技術(shù)在解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題后，部分潛艇將采用電力推進(jìn)系

8、統(tǒng)，常規(guī)潛艇將有可能采用封閉式循環(huán)的熱氣機(jī)動(dòng)力，從而結(jié)束常規(guī)潛艇水下航行單純依賴蓄電池提供能量的時(shí)代。目前，法國(guó)海軍正在研制一種全動(dòng)力潛艇，即是一種隱蔽性能強(qiáng)、效率高、節(jié)能的電動(dòng)艦艇，預(yù)計(jì)將于10年后問(wèn)世。121314151617超導(dǎo)磁懸浮列車的最主要特征就是其超導(dǎo)元件在相當(dāng)?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜?dǎo)電性和完全抗磁性。超導(dǎo)磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導(dǎo)磁體并構(gòu)成感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備，而列車的驅(qū)動(dòng)繞組和懸浮導(dǎo)向繞組均安裝在地面導(dǎo)軌兩側(cè)，車輛上的感應(yīng)動(dòng)力集成設(shè)備由動(dòng)力集成繞組、感應(yīng)動(dòng)力集成超導(dǎo)磁鐵和懸浮導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵三部分組成。當(dāng)向軌道兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)移動(dòng)

9、的電磁場(chǎng)，因而在列車導(dǎo)軌上產(chǎn)生磁波，這時(shí)列車上的車載超導(dǎo)磁體就會(huì)受到一個(gè)與移動(dòng)磁場(chǎng)相同步的推力，正是這種推力推動(dòng)列車前進(jìn)。超導(dǎo)磁懸浮列車18192021中國(guó)高溫超導(dǎo)濾波器 由清華大學(xué)研制成功的我國(guó)第一臺(tái)移動(dòng)通信用高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)，已在商業(yè)運(yùn)行中的移動(dòng)通信基站上通信試驗(yàn)成功并投入實(shí)際使用。將高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)應(yīng)用于移動(dòng)通信基站，可以顯著增強(qiáng)基站的抗干擾能力，擴(kuò)大基站的覆蓋范圍，增加基站容量，提高通話質(zhì)量，降低手機(jī)發(fā)射功率，減小對(duì)人體健康的不良影響。 22未來(lái)超導(dǎo)材料的發(fā)展 目前，第一代超導(dǎo)線材鉍氧化物線材已達(dá)到商業(yè)化水平。東京電力公司試制成功長(zhǎng)100米、3相、66千伏的超導(dǎo)電纜，美國(guó)不久也將進(jìn)

10、行100米超導(dǎo)電纜的安裝試驗(yàn)。日本正在加緊研究開(kāi)發(fā)高性能的超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)限流器和超導(dǎo)蓄電裝置等，預(yù)計(jì)5年后達(dá)到目標(biāo)。日本磁懸浮列車線圈的超導(dǎo)化目前也在計(jì)劃當(dāng)中，預(yù)計(jì)將從明年開(kāi)始進(jìn)行研究和試制。目前各國(guó)都在積極研究開(kāi)發(fā)第二代超導(dǎo)線材釔系列線材。其中，包含釔的YBCO(釔鉍銅氧)和包含釹的NBCO(釹鉍銅氧)這兩種線材，由于有更好的磁場(chǎng)特性，將來(lái)有可能成為超導(dǎo)線材的主流。 日本和美國(guó)都在積極研究開(kāi)發(fā)新一代超導(dǎo)線材，2005年前后將會(huì)開(kāi)發(fā)成功，并取代鉍系列超導(dǎo)線材而應(yīng)用在機(jī)器設(shè)備上。釔系列超導(dǎo)材料的制造技術(shù)已經(jīng)基本確立起來(lái)，正在開(kāi)發(fā)的有蓄電裝置和磁分離裝置等。目前，兩種最有前途的超導(dǎo)電子

11、元件：其一是超導(dǎo)量子干涉元件，其二是單一磁通量子元件。前者由于能夠測(cè)量極其微23弱的磁性，因而可被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)和材料的非接觸探傷等方面；后者具有運(yùn)算速度快、消耗電力少等優(yōu)異性能，有望被用作新的信息處理元件,但關(guān)鍵是要大幅度提高這種元件的集成度。 C60超導(dǎo)體有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場(chǎng)和相干長(zhǎng)度均較大，這些特點(diǎn)使C60超導(dǎo)體更有望實(shí)用化。 C60被譽(yù)為21世紀(jì)新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機(jī)械、光、電、磁、化學(xué)等多方面的新奇特性和應(yīng)用前景。有人預(yù)言巨型C240、C540合成如能實(shí)現(xiàn)，還可能成為室溫超導(dǎo)體。24第六種物質(zhì)形態(tài)誕生 有助開(kāi)發(fā)下一代超導(dǎo)體 科學(xué)家表示，在繼氣體、固體、液體、等離子體以及1995年創(chuàng)造出的玻色-愛(ài)因