超导现象介绍及应用

1. 超导现象介绍及应用 超导现象

2. 超导介绍 • 超导现象的发现 • 超导的特性 • 超导材料 • 超导技术的应用 • 未来超导技术的发展

3. 超导的发现 1908年，荷兰物理学家品纳斯首次成功地把称为“永久气体”的氮液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。品纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。

4. 加场 S S 降温 迈斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。 降温 N 加场 N 注：S表示超导态 N表示正常态

5. 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。

6. 临界磁场 逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。 有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2) H 正常态 Hc(0) 超导态 Tc T

7. V 失超 Ic(V) I 临界电流 超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。目前，常用电场描述Ic(V) ，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。

8. 超导材料 1986年8月，IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电阻接近于0，一下子把超导温度提高了12度；1986年12月，米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属)，这种超导体把超导性的临界温度又提高到了38K； 1987年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇－钡－铜－氧化物，使超导记录提高到了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却，

9. 1998年7月，北京有研总院与其他单位共同研制成功中国第一根一米长一千安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长一百一十六米，宽三点六毫米，厚为零点二八毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，七十七Ｋ液氮温度（零下一百六十九摄氏度）自场下临界电流达十二点七安培，各项技术指标均达到国内领先水平。 德国Augsburg大学的科研人员近日宣布，其经过研究发明了一种新型的超导电材料，该超导电体具有强大的电力传输能力，如果其得以广泛应用的话，将大大降低电力输送线路的生产成本。这次他们研制的超导电材料，其实是利用现有的超导电材料制成，其工作性能良好，并且对生产工艺要求不高。

10. 超导的应用 下个世纪初高温超导材料在电力方面方面的应用将获得突破性的进展，在输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都将有超导应用的身影。液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求，能够更容易实现，对电力应用来说，其推动较为明显。高磁场情况下超导材料对液氦环境依赖性还较强。目前脉冲制冷剂获得了较大的突破，过去要求在30K-50K的温度，现在只要42K左右，并且已可作为商品出售。将来若把超导磁体运用到发电机、电动机上就可以较好地解决人类与日俱增的用电需求。目前发电机单机功率可达100万 kW，到21世纪初需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可分别提高许多倍。因此，在下一个世纪的电机中，电磁铁将逐步被超导磁体取代。 在电力设备领域中，采用超导材料技术，发达国家及我国都已有几十年的奋斗历史，这是因为利用这种材料有利于设备的小型化、轻量化及高效化；抑制由于电力系统容量增大而增加的短路电流；解决因大电网而引起的系统不稳定问题以及高密度、高可靠性的输电问题；对付峰值负载和降低价格等。

11. 在磁场中生长单晶炉是80年代发展起来的一项新技术，目前广泛用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生长炉采用超导磁体有许多优点，如线圈体积小、重量轻、耗电小；可以根据要求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。目前已有采用超导磁体的磁拉单晶生长炉出售，如英国牛津公司、日本三菱电气公司、德国Interatom公司等。在磁场中生长单晶炉是80年代发展起来的一项新技术，目前广泛用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生长炉采用超导磁体有许多优点，如线圈体积小、重量轻、耗电小；可以根据要求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。目前已有采用超导磁体的磁拉单晶生长炉出售，如英国牛津公司、日本三菱电气公司、德国Interatom公司等。 超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加一倍；航速将会提高。而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池提供能量的时代。目前，法国海军正在研制一种全动力潜艇，既是一种隐蔽性能强、效率高、节能的电动舰艇，预计将于10年后问世。

12. 未来超导材料的发展 目前，第一代超导线材——铋氧化物线材已达到商业化水平。东京电力公司试制成功长100米、3相、66千伏的超导电缆，美国不久也将进行100米超导电缆的安装试验。日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等，预计5年后达到目标。日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中，预计将从明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究开发第二代超导线材——钇系列线材。其中，包含钇的YBCO(钇铋铜氧)和包含钕的NBCO(钕铋铜氧)这两种线材，由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。 日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，2005年前后将会开发成功，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微

13. 弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。 C60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。 C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。

14. 结束语 超导物理是一门正在迅速发展着的学科，作为一门带头学科，它不仅带动着凝聚态物理学各学科的发展，而且强烈的冲击着整个物理学。相信21世纪的超导工业将有一个较大规模的世界市场，而超导技术也将更快的发展起来。

15. 参考书目 • 超导物理基础，韩汝珊 伍勇，北京大学出版社 • 超导磁体交流损耗和稳定性，刘在海，国防工业出版社 • 超导电性导论，[美]M.廷哈姆，科学出版社