大学物理PPT-超导材料的发展与应用

1、超导材料的发展与应用超导材料的发展与应用 当“金融风暴”在2008年骤然来袭，迅速席卷全球之际，我们是否注意到，有一场悄无声息的“风暴”正以同样迅猛的姿态向整个世界发起了强有力的冲击？ “超导风暴超导风暴”，从1911年昂纳斯发现汞的超导态开始，就以强势的姿态不断冲击着人们的生活。这是一 下面就让我们漫游世界，去五大洲的每一个角落追循超导材料走过的足迹吧场无声的风暴，却也是一场震撼人心的风暴。超导材料继纳米材料之后迅速占据了人们的实现，并成为新材料技术产业的中流砥柱。 第一站：荷兰莱顿大学 1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98C时，汞的电阻突然消失；后来

2、他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电 这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体超导体”。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。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖，并享有了“超导材料之父”的美誉。风车之国风车之国荷兰荷兰 超导与其诞生之所荷兰的不解之缘远不止此。 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，

3、当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。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”。迈斯纳效应迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。 在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，预测一下会发生什么情况？ 小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动！ 第二站：美国 继迈斯纳效应后，BCS超导理论成为超导材料发展史上的又一个里程碑。BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论（

4、所以也常意译为超导的微观理论）。该理论以其发明者约翰巴丁（John Bardeen)、利昂库珀（L.V.Cooper）和约翰罗伯特施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。 这种理论把超导现象看作一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，尼科莱勃格留波夫（Nikolai Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的量子力学解释，他使用的勃格留波夫变换至今为人常用。 经过几十年的辗转，超导材料先驱者的大旗传递到了美利坚共和国的土地上。 下面来着重解释一下这个重要概念库柏对

5、库柏对。电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用：电声子交互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。 大致上，其机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。 巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年的诺

6、贝尔物理学奖，巴丁更是成为史上唯一一个两度摘得诺贝尔物理学奖桂冠的科学家。 不过，BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导，或高温超导的现象。 1973年，人们发现了超导合金铌锗合金，其临界超导温度为23.2K ，该记录保持了13年。 20世纪80年代初，美国IBM公司的研究人员米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧钡铜氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起世界科学界的轰动。此后，科学家们争分夺秒地攻关，几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。86年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材

7、料，其临界超导温度达到40K ，液氢的“温度壁垒”（40K ）。在获得重大理论突破后，美国研究超导材料的步伐并未就此停住。超导陶瓷：超导陶瓷：美国的又一个突破 1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡钇铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。而美国作为超导陶瓷的先驱占尽了先发的优势，成为超导材料研制的排头兵。 回顾人们为了使超导材料有实用性所进行的探索高温超导的历程，有许多不可思议的发现。从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（OK=-273C）。86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

8、40.2K，87年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体，很快又发现了14C下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。 1911-1986，探索温度呈龟速上升1986年以后，超导温度如同坐火箭一般飞升 第三站：英国 大不列颠帝国向来在高新科技研究领域占有一席之地，超导材料的第三站无可争议地落户在了这个西欧岛国。 1962年，年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外

9、，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认 识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5 兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。 No.1超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可

10、以将发电机的磁场强度提高到5 万6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 10倍，达1 万兆瓦，而体积却减少1/2 ，整机重量减轻1/3 ，发电效率提高50。 众所周知，超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能，以英国为首的欧洲国家在研制超导输电设备超导输电设备这一领域可谓独占鳌头。 No.2磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5 万6 万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。 No.3

11、超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15% 的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度，若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 1996年改进高温超导电线的研究工作取得重大突破，制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人，共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。 第四站：日本 超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在无磨擦状态

12、下运行，这将大大提高它们的速度和安静性能。 日本也是超导材料开发应用的先锋国之一，它在超导船的研发上尤其具有代表性。 1976年，日本的神户商船大学用超导体电磁材料装备船的推进系统，制成了超导体电磁推进船的模型船“SEMD1”。船长仅1米，在海水中的磁场强度达到6000高斯。1979年又制成一艘超导船的模型船“ST500”，全长3.6米，重700千克，船底装备的超导体电磁线圈用铌钛合金制造，在海水中可产生2万高斯的强磁场。ST500模型船在海里可以每秒1米的速度前进，完全没有振动和噪音。 最近，世界上第一艘以超导磁体作为行驶动力的新型超导电磁双体推进船在日本建成。这艘命名为“大和1号”的实验船

13、长30米，宽18米，高8米，自重280吨，排水量185吨，航速每小时15千米。双体船的推进系统装有电磁铁，装在该船浮筒的水筒前部。海水流入水筒，带电的电极便在水中产生电流。这些磁铁产生的磁场同这一电流相互作用，产生的电磁力把水从水筒的末端作为高速水流喷出。增加磁场强度的方法是用超导电磁铁，放在液氦里冷却。两台柴油发动机为这些磁铁提供电力（示意图如下）。 超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。 螺旋桨曾被人们认为是船舶航行必然使用的推进装置，但随着现代船舶科技的发展，未来的巨型船舶将

14、可能取消螺旋桨这一推进装置，而改用超导电磁推进装置来推动船快速航行在海上。 第五站：中国 从朱经武到赵忠贤，中国人在超导领域的研究一直处于世界先列。 2003年元旦,由德国制造的磁悬浮列车,作为世界上首条投入商业运行的磁悬浮列车 超导磁悬浮列车（左图所示）利用超导材料的抗磁性：将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线磁悬浮列车线上海浦东机场至龙阳路,总长30公,里的磁悬浮列车线路,正式开始商、世运营。自03年开始,磁悬浮列车以每小时430公里的速度,在上海浦东国际机场和市区间运送旅客,全长30公里,总运行时间还不到10分钟,是一条最为方便的高速线路。 不能穿过超导体，磁体和超导体之间

15、会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。 上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”（简称“常导型”）磁悬浮列车，利用“异性相吸”原理设计，是一种吸力悬浮系统，利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁和铺设在轨道上的磁铁，在磁场作用下产生的吸力使车辆浮起来。 下面我们来着重介绍一下上海超导磁悬浮列车的工作原理： 列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁，在“工”字轨的上方和上臂部分的下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流使电磁铁和轨道间保持1厘米的间隙，让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡，利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右，使列车悬浮在轨道上运，这必须

16、精确控制电磁铁的电流。工作原理图工作原理图 悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。通俗说，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变成电磁体，由于它于列车上的电磁体的相互作用，使列车开动。 列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体N极所排斥。列车前进时，线圈里流动的电流方向就反过来，即原来的S极变成N极，N极变成S极。循环交替，列车就向前奔驰。 列车的稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复

17、正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。 “常导型”磁悬浮列车及轨道和电动机的工作原理完全相同。只是把电动机的“转子”布置在列车上，将电动机的“定子”铺设在轨道上。通过“转子”，“定子”间的相互作用，将电能转化为前进的动能。 们知道，电动机的“定子”通电时，通过电磁感应就可以推动“转子”转动。当向轨道这个“定子”输电时，通过电磁感应作用，列车就像电动机的“转子”一样被推动着做直线运动。 如果将科技领域比喻成股市，那么超导材料则堪称一支潜力股，让我们来看看它在其它一些方面的无穷潜力吧超导计算机超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和

18、连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。核聚变反应堆核聚变反应堆“磁封闭体磁封闭体” 核聚变反应时，内部温度高达1 亿2 亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。 移动式超导电磁采暖器移动式超导电磁采暖器 移动式超导电磁采暖器是将超导技术与电磁技术独有的特点融合，研制成功的一种分户式的新型供暖设备。它采用电磁感应加热原理将装有超导液的金属贮液罐加热，当贮液罐切割交变磁力线时在贮液罐的金属