超导体的应用与前景

超导体的应用与前景2012级物理系物理学李雪2012101271摘要：简单介绍超导体的重要特点，超导现象，高温超导体，及其结构的特殊性，以及超导体的一些有关应用。外加上自己在学习超导体过程中的疑问和心得体会。此外，我还找来一些课外书籍作为参考，具体的分析了超导体以及有关于超导体的特性及其应用的有关知识和认识，具体内容看正文所述。【关键词】超导体；超导态；临界温度；超导电性；超导储能一、超导研究的进展1911年荷兰物理学家昂尼斯发现，当温度降至绝对温度4.2K时，汞（水银）的电阻突然变为零。人们把电阻为零时的状态称为超导态，相应的温度称为该物质的超导临界温度，用Tc表示。昂尼斯曾想，水银的电阻为零，可以通以很大的电流而不发热，这便可产生很强的磁场。因为，即使临界温度Tc，但通过超导体的电流超过某一临界值Ic，或磁场超过某一临界值Hc时都会破坏超导态，而变为常态，因而物质的三临界常数是相互关联的[1]。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”。如图1所示。图一迈斯纳效应由于低温的获得极为困难，不仅设备技术复杂，成本也极为昂贵，因此，人们渴望取得高温超导体。从1911年至1973年超导体临界温度由4.2K升到23.2K，以每三年多提高一度的速度前进。1986年4月联邦德国人贝德诺尔茨和瑞士人米勒发现钡镧铜氧化物（Be-La-Cu-O）的超导临界温度为35K。由此，他们在发现陶瓷材料超导性方面取得重要突破。1987年美、中、日、苏及欧洲等国家的学者不断的创造了高温超导的记录，中国科学院物理研究所赵忠尧等人做出了突出的贡献，把超导临界温度提高到90K，这意味着可以不使用液氦（4.2K），超导技术的应用展现出新的美好前景。二﹑超导体有很多方面的应用：1、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。2、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％。2.1.2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。3、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。三．超导体的应用前景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。1、大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；2、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。3、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。磁悬浮列车分为超导型和常导型两大类。简单地说，从内部技术而言，两者在系统上存在着是利用磁斥力、还是利用磁吸力的区别。从外部表象而言，两者存在着速度上的区别：超导型磁悬浮列车最高时速可达500公里以上（高速轮轨列车的最高时速一般为300—350公里），在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争；而常导型磁悬浮列车时速为400～500公里，它的中低速则比较适合于城市间的长距离快速运输[2]。图二磁悬浮列车4、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。图三全球首台商用量子计算机5、核聚变反应堆“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[3]。图四全球首个可持续核聚变反应堆超导材料从它被发现之日，就向人类展示了诱人的应用前景。目前，超导材料正处于研究向实用的过度阶段，随着高温超导材料的研发成功，也有可能向产业化阶段转变。超导材料技术的重大的应用发展潜力在很大范围内被人们挖掘，未来可用于解决交通、医疗、信息、能源和国防科技中的重要问题，尖端技术中也将越来越多地应用超导材料。一方面超导器件具有一般电子器件所不具有的高速处理功能及微弱磁场的感知性，另一方面超导材料优于传统磁性材料的特性，在保护环境、节能、洁净化等方面也具有很大的优势。21世纪，超导及其相关的技术应用方面必将对国民经济的发展起着重要的推动作用。参考文献[1]冯端.凝聚态物理学[M].人民教育出版社，2008.[2]王林.超导体将为人类造福[M].大象出版社，2011.[3]白春礼，《扫描隧道显微术及其应用》，上海科学技术出版社，1992[4]部分超导体特性的实际应用参考百度百科