第4节 超导及其应用

第4节超导及其应用教学目的：1、知道什么是超导现象，了解相关名词2、了解超导的历史，知道一些重要的物理事件3、知道超导的应用，激发勇于探索前沿科技的精神复习&引入：金属导体的电阻率一般都会随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低，当温度降到足够低的时候，情形会怎样呢？前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过，促使电子定向移动的因素是电场力。制约电子定向移动的微观因素是电子的热运动。那么我们是不是可以这样认为，当温度足够低，热运动很微弱的时候，电子受到的阻碍作用会非常非常小呢？下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角度，还有应用的角度阅读一下教材内容，作相关的总结：一、超导现象超导现象：大多数金属在温度降到某一数值时，都会出现电阻突然降为零的现象。转变温度：导体由常态转变成超导状态的温度，用T表示。两种类型的超导体：a、常规金属超导体；b、合金超导体，有两各转变温度，而且在两个转变温度之间，磁效应和电效应会出现“不一致”的情形。二、超导的历史年份科学家材料转变温度TC1911（荷）昂尼斯汞4.2K至1986上半年23K1986年7月镧钡铜氧化物35K1987年2月美、中钇钡铜氧化物90K1992年初125K三、超导的相关研究1、迈斯纳效应把温度T<T的超导体放入磁感应强度为B<B的外磁场中，超导体内部的磁应强度等于0；如果是在T<T时，加B<B的外磁场，。再降温到T以下时，超导体内的磁感应强度B也变为0，即磁场被“排挤”C出超导体外.这表明超导体是“完全抗磁体”，超导体的完全抗磁效应是迈斯纳和奥森费尔德在1933年发现的，现在称为迈斯纳效应。2、约瑟夫森效应（超导隧道效应）1962年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言：当两块超导体（S）之间用很薄（10~30A）的氧化物绝缘层（I）隔开，形成S-I-S结构，将出现量子隧道效应.这种结构称为隧道结，即使在结的两端电压为0时，也可以存在超导电流.这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森效应.约瑟夫森从结论上证明超导隧道结的一些奇特性质.例如，当两端电压V不等于0时，会出现一个高频振荡的超导电流，它的频率f满足关系式f=4neVh其中e为基本电荷，h为普朗克恒量.这时隧道结好像一根能辐射电磁波的天线；反之，当频为f的外界电磁波辐射到结上时，它的能量会被结吸收，从而在直流I-V曲线上引起一系列电流台阶，如右图所示，其中第n个台阶处的电压满足关系式.V=耍f1约瑟夫森的预言不久就被实验证实，这为一门新学科一超导电子学奠定了基础，他因此而获得1973年诺贝尔物理学奖.3、同位素效应1950年，麦克斯韦和雷诺等人用实验证明，临界温度TC与样品的同位素质量M有关，M越大，TC越低，其关系可以用近似公式m2TC=常数来表示，这说明超导现象的形成与原子核的质量有关。4、超导体比热在临界温度的不连续性实验表明，超导体在临界温度T时，比热发生不连续的变化，超导态的比热大于正常态的比热，但从正常相变为超序相时，没有吸收或放出潜热，这称为第二类相变。四、超导的应用1、优越的超导电机普通发电机组中的材料载流量十分有限，由于电路中有电阻，总要发热，因此既不经济又不安全。用超导体制造电机，完全不发热，可以提高载流量，据专家计算，用超导体制作电机，功率可以提高几十倍。2、省电的超导电路普通的电路由于输电线的耗能严重，必须经过升压、降压的程序，而且也不可能作到完全不损耗。超导体导线则能完全解决这个问题。3、精密的超导仪器一些精密的仪器，如核磁共振仪、电子显微镜等对磁场有非常严格的要求(强度要高、稳定性要高、磁感线分布要理想，有时还要求很大的尺寸)，普通的材料很难达到要求，超导则能解决这个问题。4、神速的超导计算机把超导体应用于计算机将会迎来科学史上的一次重大革命。理论研究表明：应用约瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可以比当前使用的半导体集成电路快十几~二十几倍，而且它消耗的电能只有现在普通计算机的1%。5、超导磁悬浮列车在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h，1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极强的磁场，使列车的速度达到500km/h。五、磁场对超导体的影响磁场对超导体的影响与超导体的材料有关.(1)外加磁场强度超过一定值时，可以破坏超导电性.破坏超导体所需的最小磁场叫临界磁场.其磁感应强度用B表示，用B表示绝对零度时的临界磁场，则大多数金属超导体的临界磁场BC与温度T的近似关系是：(3)磁致超导性.1962年，物理理论家V•Jacarino和M•Petar预言，可能在某些物质中会发生与外磁场破坏超导性相反的情形，用磁场可诱发超导状态.二十年后，日内瓦大学的Fischer和他的同事们用铕化合物制造出一系列磁致超导体，他们所得到的材料的性质，与理论预言精确地符合。超导及其应用人类的发展史上曾经兴起过三次技术革命的风暴，首次技术革命始于18世纪60年代，是以蒸汽机的广泛应用为标志，推动了社会工业化的大革命第二次技术革命发生在19世纪70年代，是以电力的广泛应用和无线电通讯的发明为标志，把全球推进到了生产自动化的文明社会.第三次技术革命的掀起是在20世纪50年代以后，科学家们进行了一些重要的实验，以发现了原子结构、电子、原子核分裂产生原子能、电子计算机、激光的广泛应用为标志，把人类社会推向了高度智能化的高度文明年代随着高温超导体的发现，科学家们凭着高度灵敏的科学灵感，第四次技术革命即将到来！一、超导现象1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零.为了证实这一现象，他用磁铁在水银环路中感应出电流，经过长达一年多的观察发现，只要水银环路保持在4.15K的低温，环路中的电流就不会有能测量到的衰减，电流不断地沿着环路转起来，就像不知疲倦的一匹马一样.当温度降到某一温度时，金属的电阻变为零的现象叫超导现象，能够发生超导现象的物质，叫做超导体.超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC.现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性.如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K.而且超导临界温度的纪录不断地被打破，例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K.1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视.1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物.1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷.1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物.1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物.这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅.二、超导的应用超导体临界温度的提高为超导体的应用开辟了广阔前景，随着超导理论的进一步完善和发展，超导体新材料的继续研制，超导必将对整个社会发展产生巨大的推动作用.超导体的无电阻性在技术上有重大应用价值.目前由于电阻热效应在电能传输中造成的损失约占总发电量的15%左右.可见，如果实现超导输电，可大大地提高电能的利用率.利用超导体这一性质，可以在导线中通过很大的电流，使电磁铁形成强大磁场.这样就可以把大功率变压器、大型电机的体积大大地缩小.超导体的无电阻性能大大地减小了微电子线路中热噪声，从而极大地提高电子仪器测量的灵敏度，还可以制成运算速度更快的超导体电子计算机.超导磁悬浮列车是一种高速、安全、无污染的新型列车列车是靠着互斥原理悬浮于轨道上行驶，所以摩擦阻力很小，时速可高达几百千米以上，且磨损小，维修少，成本低，其能源消耗仅是汽车的一半.超导磁悬浮列车靠电力作动力运行，在轨道沿线不排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具.那么，这种列车是怎样悬浮起来的呢？原来，在每节车厢下边的车轮旁边都安装有小型超导磁体；在轨道两旁埋设有一系列闭合的铝环，在超导磁体的线圈中通入电流就会产生很强的磁场.列车开动后，超导磁体相对于铝环运动，在铝环里感应出很强的电流，并相应形成极强的磁场铝环产生的磁场与车上超导磁体的磁场方向相反，相互排斥，使车上的超导磁体受到地面铝环向上的托力，把列车凌空托起，飞似地向前驶去.超导材料是一种新型的导电材料，超导材料的研究现今已有突破性的进展，且不断有新型超导材料问世.以超导材料为背景的超导输电、磁悬浮等问题，是综合能力测试很好的命题点，应引起同学们的的重视。1911年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K时发现水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。经过科学家们数十年的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。奇异的超导陶瓷1973年，人们发现了超导合金一一铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。1986年，设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧一钡一铜一氧）具有35K的高温超导性，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。1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇一钡一铜一氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地被突破了。1987年底，铊一钡一钙一铜一氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986-1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上，这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。超群的超导磁体超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。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。超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可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%。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。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。广阔的超导应用高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。超导磁悬浮列车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，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，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。超导计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时