高温超导体 - 山东大学物理学院-网站首页

1、高温超导体高温超导体 超导体的发现超导体的发现 超导体材料的探索超导体材料的探索 超导体技术的应用超导体技术的应用超导体的发现超导体的发现 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；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相啊类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，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。 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

2、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。 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”。 后来人们还做过这样一个实验：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，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动。高温超导体高温超导体 超导体的发现超导体的

3、发现 超导体材料的探索超导体材料的探索 超导体技术的应用超导体技术的应用超导体材料的探索 超导材料的实用性是人们最为关注的事情,物理学家也就开始了研究高温超导材料的历程! 1911年至1986年间，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K。86年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30度，12月13日，又将这一纪录刷新为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14度下存在超导迹象，高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。人们已着手寻找承受高磁场的超导物质。例如具有高达绝对 温度18K的锡铌合金。它可以承受大约250000高斯

4、的磁场，这 强度确实是高的。在1954年发现这一事实。但是到1960年才研究出制造这种通常脆性合金电线的技术。钒和镓 化合物可以做 得更好，已建成场强达500000高斯的超导电磁铁。在氦中发现了另一种令人吃惊的低温下的现象，称为超流性。 高温超导体高温超导体 超导体的发现超导体的发现 超导体材料的探索超导体材料的探索 超导体技术的应用超导体技术的应用超导体技术的应用 超导发电 超导输电 超导电磁推进 超导磁悬浮列车 超导天线 超导发电 超导体对人类社会影响最大的将是提供更多的电力，超导用于发电的装置目前有磁流体发电、超导电机发电、热核聚变发电三种。 滋流体发电是一种高效、低污染、单机容量大、直

5、接将热能转变为电能的一种新型的发电方式。普通火力发电需把热能转化为机械能再转化为电能，效率最高只有33一36。磁流体发电是让煤（石油、天然气）加氧化剂、添加剂燃烧产生的等离子体高速通过磁场，使热能直接转化为电能，磁流体一蒸汽联合循环发电装置最高效率达到55%，而且可自动脱硫，污染小但这种发电方式目前遇到的困难是当磁感应强度在15特以上时，磁流体的铁芯逐渐处于磁饱和，磁场强度很难再提高。于是人们就想到超导体，如果利用超导磁体，那么就很容易在较大体积内产生强度为几十特的磁场，且消耗的励磁功率很小，它具有性能良好，质量小等优点。例如，磁感应强度可达4一5特的超导磁体，质量只有300一500克，而要产

6、生同样磁场强度的磁体质量却有15一20吨。目前，美国、前苏联、日本都建有这种超导磁流体发电机。 超导发电机发电是利用超导体制造发电机磁极绕组，不仅可大大增加发电机的极限输出容量，而且效率高，体积小，质量小，可节约大量电能和金属材料。常规的两极发电机的极限输出在现今条件下只能达到15*109瓦，但超导发电机则可达3*1010瓦，甚至更大。一台6X106瓦的电动机，常规质量为370X103千克，采用超导体材料仅重40X103千克；又如目前已建成的一台5X106瓦超导交流发电机，其功耗比普通电机减少三分之二，体积缩小百分之八十以上。因此有人估计，超导体可以把发电成本降低60，可以把经电缆输电的成本降

7、低10，这些优点使得它特别适宜于建造高效率的大型发电站、移动电源及做为太空飞船的动力设备。 超导体还可帮助科学家建立核聚变发电系统，这种发电系统是以氢做燃料的，其反应温度与太阳的温度一样高。从理论上讲这种能源是取之不尽的，在实践上，关键问题是如何生成足够强大的磁场来控制剧烈的热核反应，超导材料将能够解决这个问题。超导输电 目前输电均采取高压交流输电，损耗较大，降低了有效的电能利用超导体的零电阻这个特性，可以制成超导电缆，无损耗地输电，不但输电效率高而且可以节约材料，避免铺设高架电缆，降低输电成本。这种超导电缆能传输几十万兆瓦的功率，它还能在较低的电压下，传输强大的电流。如一条三相超导电缆能在3

8、5干伏电压下，传输104安培的电流。美国曾制成一种锡铌超导电缆，把三根直径为14厘米的345千伏超导电缆装置在直径为45厘米的高绝热导管中，就可输送像整个纽约这样大城市的全部用电。 超导电磁推进 超导电磁推进的装置是在船体内安装一个超导磁体，它会在海水中产生一个强大的磁场。同时，在船体两侧安装一对强大的电极，使海水在两极间产生很大的电流。由于磁场和海水中电流的相互作用，海水在船后对船体产生一个强大的推力。这时海水和电极相当于转于和电枢，利用与电机相同的原理就可推动船体前进。 世界上第一艘“超导船”于1992年1月27日在日本神户下水，它以超导电磁为动力，其外型看起来像是鲸鱼与太空火箭的混今体，

9、长30米，理论最高时速可达每小时200公里左右。超导磁悬浮列车 磁悬浮列车从原理上讲可分为两种：一种是超导感应推斥式（电动型）磁悬浮（简称EDS），它是利用装载在列车上的超导磁体和地面上导体中的感应电流之间的推斥力使列车悬浮起来的方式；另一种是电磁吸引式（电磁型）磁悬浮（简称EMS），其原理可参考中学物理教学参考1994年第11期第47页。 超导磁悬浮列车是人们根据超导体的完全抗磁性设计出的一种高速列车，最初是在1968年由美国人伯维尔和当比首先提出的，1970年试制了超导磁悬浮基础实验装置，1971年3月确认了实验与理论的一致性，使开发前进了一大步。1972年世界上第一台超导感应推斥式（电动

10、型）磁悬浮列车ML100在日本研制成功，所用的超导材料是铌锡合金。这种列车每一节车厢下面的车轮旁，都装有小型的超导磁体，在轨道的两旁，有一系列闭合的铝环，整个列车由埋在地下的直线型同步马达驱动，当列车向前行驶时，超导磁体则在轨道面产生强大的磁场，并和轨道旁的铝环相对运动，在铝环内感生出强大的电流。由于超导磁体和铝环的相互排斥作用，就产生一种向上的浮力把列车凌空托起，消除了车轮与钢轨的摩擦阻力。另外速度愈大排斥力就愈大，当速度超过一定值（80千米小时）时，列车就脱离路轨表面，最大距离可达数厘米以上，其悬浮是自稳定的，无须加任何主动控制。由于采用大气隙悬浮，即使车体稍许不平衡，或车体与轨道少许对不

11、准，或轨道上有冰雪之类杂物，均不影响列车运行的安全性，在低速行驶时，要靠辅助车轮支撑。一列乘载百人的磁悬浮列车，只要75千瓦的功率，就能使行驶速度达到每小时50O公里以上。 与普通列车相比，磁悬浮列车具有以下优点：速度快。磁悬浮列车的速度只受限于空气阻力，比普通列车受限于轮轨间的摩擦力小得多，是陆上最快的交通工具，日本的ML500曾创下了时速571千米的陆面交通工具的世界最高纪录。乘坐平稳舒适，噪音低。占地面积小。能耗低，安全可靠，被认为是一种很有前途的交通工具。 超导天线 天线，不管是接收天线，还是发射天线，只有在天线长度与其波长相接近的情况下，才能最有效地工作。但在实际情况中，这一点无法完全做到，特别是携带式无线电接收机和发射机上的天线。由于这些天线的长度都只为其波长几分之一，甚至数十分之一，因此，它们的效果受到很大的影响。例如，天线的长度为其波长的20分之一，那么