奇妙的低温世界 超导

1、绝对零度的奇迹绝对零度的奇迹 超导超导 目录目录 概述 发展历史 原理 应用&展望 概述概述 超导是指某些物质在一 定温度条件下（一般为 较低温度）电阻降为零 的性质。 超导体的直流电阻率在 一定的低温下突然消失， 被称作零电阻效应。 磁场中的金属处于超导 状态时，体内的磁感应 强度为零，这种现象叫 做完全抗磁性。 发展历史发展历史发现发现 1911年荷兰物理学家H 卡茂林昂内斯发现汞在温度 降至4.2K附近时突然进入一 种新状态，其电阻小到实际 上测不出来，他把汞的这一 新状态称为超导态。 以后又发现许多其他金 属也具有超导电性。低于某 一温度出现超导电性的物质 称为超导体。 发展历史发展历

2、史完全抗磁性完全抗磁性 1933年，荷兰的迈斯纳 和奥森菲尔德共同发现了超导 体的另一个极为重要的性质 当金属处在超导状态时，这 一超导体内的磁感应强度为零 。 对单晶锡球进行实验发 现：锡球过渡到超导态时，锡 球周围的磁场突然发生变化， 磁力线似乎一下子被排斥到超 导体之外去了，人们将这种现 象称之为“迈斯纳效应”。 发展历史发展历史高温超导高温超导 为了使超导材料有实用性，人 们开始了探索高温超导的历程 。 从1911年至1986年，超导温度 由水银的4.2K提高到23.22K。 1986年1月发现钡镧铜氧化物 超导温度是30K，12月30日， 又将这一纪录刷新为40.2K， 1987年1

3、月升至43K，不久又 升至46K和53K。 从1986年1987年的短短一 年多的时间里，临界超导温度 提高了近100K。 发展历史发展历史高温超导高温超导 高温超导材料-温度一览表 超导原理超导原理零点阻效应零点阻效应 电阻何来？ 水在管子里流动的时候, 总要受到摩擦阻力的影 响。当自由电荷在导体中定向移动形成电流时,也 要受到阻碍。 在金属导体内部,既存在原子和带 正电的正离子,又存在自由电子。在外界电力的作 用下,当自由电子在导体内部做定向运动的时候, 运动中的自由电子要受到大量原子核的平均阻碍 作用，电子之间的阻碍作用，电子与电子，电子 与原子核间的碰撞以及电子的无规则热运动等等 阻碍

4、作用，结果阻碍了电子的定向运动。 超导原理超导原理零点阻效应零点阻效应 超导如何实现电阻为零？ 低温造成原子的价电子运转速率变小，但是原子 核习惯于价电子的高速运转，于是它挪用了相邻 原子核的价电子，但是这样的挪用只是暂时的， 形成了外层电子公用的现象，进一步形成超导电 子流。原子核的库仑力不仅没有阻碍超导电子流 ，还成为了输送的运输力。于是电阻就变为零了 。 超导原理超导原理迈斯纳效应迈斯纳效应 超导因何悬浮？ 由于超导体“不允许”其内部有任何磁场，如果 外界有一个磁场要通过超导体内部，那么超导体 必然会产生一个与之相反的磁场，保证内部磁场 强度为零，这就形成了一个斥力。当在一个超导 体正下

5、方放置一个磁体，并使磁感线垂直通过超 导体的时候，超导体将获得垂直的上浮力。当这 个力的大小刚好等于超导体的重力的时候，超导 体就可以悬浮在空中。 超导应用超导应用强电（大电流）应用强电（大电流）应用 超导发电 输电 储能 超导发电超导发电 超导发电：超导技术可以使发电机和电动机小型 化，而功率更强大，工作性能更稳定，以取代目 前庞大笨重的发电设施，也为电动机的低噪声化 和军用提供可能性。 拥有两万千瓦功率的超导发电机拥有两万千瓦功率的超导发电机 超导输电超导输电 由于超导体电阻为零，完全可以通过大电流。于 是超导输电的输送容量远远超过传统的架空输电 线路和充油电缆输电线路，也大于充气（如充

6、SF6气体）输电管道和低温低阻电缆输电。而要 实现超导输电的关键在于超导电缆。 超导储能超导储能 超导体电阻为零，电流在超导体里流动永不消减。 超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能 的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存 电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换 有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电 品质。 超导应用超导应用弱电（电子学）应用弱电（电子学）应用 超导计算机 超导天线 超导微波器件 超导计算机超导计算机 超导计算机即是利用超导元件作为计算机元件的 计算机。 关键元件：超导开关器件，超导存贮器。 目前制成的超导开关器件的开关速度，已达到 1

7、0-12秒的高水平。这是当今所有电子、半导体、 光电器件都无法比拟的。超导计算机运算速度将 比现在的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是 电子计算机的千分之一，如果目前一台大中型计 算机，每小时耗电10千瓦，那么，同样一台的超 导计算机只需一节干电池就可以工作了。 超导天线超导天线 用超导材料制作的、具有一定形状的、能将发射 机的射频电磁能转变成空间电磁波能,或将空间电 磁波能量转换成电磁能量送给接收机的装置。 前者为超导发射天线,后者为超导接收天线。通常 天线具有互易性,一个天线既可以是发射的,也可 以是接收的。 超导天线主要是利用超导体射频损耗很低的优越 性。超导接收天线可以显著提高信噪比

8、。 超导微波器件超导微波器件 高温超导材料具有极低的微波损耗，利用这一特 性研制的滤波器具有插入损耗小、带边陡度高、 带外抑制深等特点。可以提高微波接收系统的灵 敏度和抗干扰能力。 超导应用超导应用抗磁性应用抗磁性应用 超导磁悬浮列车 核聚变反应 超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车 超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本 MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁 场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用 ，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一 般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上 。 热核反应堆热核反应堆 核聚变反应发生时没有任何材料能承受这样的高 温，但是却可以利用超导体产

9、生的强磁场营造“ 磁封闭体”，将热核反应堆中的高温等离子包围 约束然后慢慢释放。 托卡马克磁约束装置 中国热核中国热核 先进实验超导托卡马克实验装置 EAST EAST装置是我国自行设计 研制的国际首个全超导托卡马 克装置。由中国科学院等离子 体物理研究所在中国安徽省省 会合肥市建设。 EAST是一个近堆芯高参数 和稳态先进等离子体运行科学 问题的重要实验平台，它将是 在ITER（国际热核聚变试验堆 ）之前国际上最重要的稳态偏 滤器托卡马克物理实验基地。 它的研制成功，使我国成为 继俄、日、法之后第四个拥有 该类装置的国家，从此为中国 的聚变事业全面走向国际舞台 开拓了一条创新之路。 节省大量资金节省大量资金 缓解环境污染缓解环境污染 超导电缆、超导发电超导电缆、超导发电 机、超导电缆机、超导电缆 预预 测测 低电力低电力 低能耗低能耗 灵敏度度高灵敏度度高 钇钡铜超导薄膜钇钡铜超导薄膜- 应用于谐振器、滤波应用于谐振器、滤波 器、天线等有源器件器、天线等有源器件 商品化商品化 低电力低电力 低能耗低能耗 钇钡铜超导超导块材钇钡铜超导超导块材- 用于