论文-超导材料

《超导探索与科学思辩》姓名：＿＿＿＿＿＿＿院系：＿＿＿＿＿＿＿学号：＿＿＿＿＿＿＿年级：＿＿＿＿＿＿＿日期：2012-11-29超导探索及科学思辨作者：李团伟郑州大学新校区邮编：460001摘要：超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用，也将推动功能材料科学的深入发展。爱因斯坦的科学思辨精神是我们认识自然于科学的根本，而李平林教授的反视觉原理也使得我们可以从不同的视角去认识自然，了解科学。关键词：超导进展临界温度科学思辨反视觉原理1：什么是超导？超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导体另外一个性质是宏观的量子现象。这两个特点，就是超导体最基本的性质。2：超导研究历程1784年英国化学家拉瓦锡曾预言：假如地球突然进到寒冷的地区，空气无疑将不再以看不见的流体形式存在，它将回到液态。从那时候起，拉瓦锡的预言就一直激励着人们去实现气体的液化并由此得到极低的温度。使气体变成液体，这听起来如同神话一般，但是科学家不仅相信了这个神话，而且在几十年后使它成为现实。人类通过液化气体获得了低温，科学家会利用低温做什么呢？他们要做的事情很多，其中最重要的是继续那个古老问题的探索，研究那些没有生命的物质在低温下会发生什么变化。1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零，对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪，即使当时最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存在，并且没有强度变弱的任何迹象。接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。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热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273℃），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为迈斯纳效应。迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性，即迈斯纳效应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的行为并不是不可逆的。在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。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，悬浮不动。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。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15°C；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986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40.2K，1987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。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。在超导的研究史上有着几个不可忽视的重大发现的突破：2.1约瑟夫森效应1962年英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了量子隧道效应理论，也就是今天人们所说的约瑟夫森效应。该理论认为：电子对能够以隧道效应穿过绝缘层，在势垒两边电压为零的情况下，将产生直流超导电流，而在势垒两边有一定电压时，还会产生特定频率的交流超导电流。在该理论的基础上诞生了一门新的学科--超导电子学。2.2NbTi和Nb3Sn在超导材料的探索过程中，不能不提及的超导材料是NbTi和Nb3Sn。Nb3Sn化合物超导材料于1954年由马赛厄斯等人发现，而NbTi合金具有超导电性则于1961年由孔茨勒发现。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体，用Nb3Sn化合物线材绕制一个15T的超导磁体已经不存在任何的技术问题。2.3高温超导体为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，二十世纪八十年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981年合成了有机超导体，1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4，其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获得了1987年的诺贝尔物理学奖。1987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为90K的超导材料YBCO。1988年初日本宣布制成临界温度达110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此，，实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度（77K）以上，因此被称为高温超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。自从高温超导材料发现以后，一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K，汞系化合物超导材料的临界温度则可达135K。如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达到难以置信的164K。1997年，研究人员发现，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力将非常巨大。3.超导的分类目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种，而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种。超导体方可以分为两类：第一类超导体和第二类超导体。第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作软超导体。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。4.超导的应用超导现象自从20世纪初被发现以来，就以其独特的魅力持续不断的吸引着广大科学家的关注，这不仅因为它能完美地展示物理学的一些重要规律，更重要的是它具有很多应用领域可以开拓，超导技术可广泛应用于能源、信息、医疗、交通、国防、科学研究及国防军工等重大工程方面。美国能源部认为高温超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备，是检验美国将科学转化为应用技术的能力的重大实践。专家认为21世纪的超导技术会如同20世纪的半导体技术一样具有重要意义。综合目前超导技术的发展情况，超导技术可以在以下行业得到应用和拓展：4.1电力超导技术与电力技术的结合将给电力行业的发、输、配电带来革命性的改变，电力行业是超导产业最重要的应用场所与市场。超导技术在电力中的应用主要包括：高温超导电缆现有电缆的扩容问题一直困扰着城市电力的发展。传统的城市地下输电电缆存在着通量小、损耗大、对土壤和地下水有热污染及油污染、土建费用高等问题，城市电力扩容变得越来越困难。高温超导电缆具有体积小、造价低、高节能、无污染等优点，具有巨大的经济效益和环保效益，终将替代传统电缆。高温超导电缆的大规模应用能够极大地提高电力输电系统的运行效率，降低运行成本。目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低交流损耗、超长高温超导电缆。据专家估计，高温超导电缆最有可能率先实现实用化和商业化。超导电机：电动机是最常用的电气设备，但传统电动机耗电量极大。美国工业界专家估计，1,000马力以上的工业用电动机大约要消耗美国能源的25%。与常规电机相比，超导电机具有节能性好、体积小、单机容量大、造价及运营成本低、稳定性能好等优点，具有很好的经济效益和环保效益。供给同样的功率，超导电机的尺寸是常规电机的1/3，制造成本可降低40%，电流损耗可减少50%，运行成本可降低50%。美国能源部估计，高温超导电动机的低损耗每年可减少数十亿美元的运行费用。在军事上战舰应用高温超导电机，其舰船体积重量更小，空间布置更灵活，推进系统运行更加可靠，效率更高，控制更方便，调速性能更好，能大大提高隐蔽性，达到高速安静运行，具有重要的军事意义。高温超导风力发电机是5兆瓦以上风力发电系统的唯一选择，目前已成为高温超导电力应用设备产业化应用的优先发展产品。超导变压器：常规变压器有许多缺点，如负载损耗高、重量和尺寸大、过负载能力低、没有限流能力、油污染及寿命短等。在美国，变压器的总装机容量约为总发电量的3-4倍，其电力系统的网损约为总发电量的7.34%，其中25%为变压器损失。相比较而言，超导变压器体积小、重量轻、电压转换能量效率高、火灾环境事故机率低、无油污染等优点，在提高电力系统的可靠性和运行性能、降低成本、节约能源、保护环境等方面有着重要的现实意义。超导限流器：限流器（FCL）是一种提高电网稳定性的电力设备。随着社会的发展,对电网的质量要求越来越高，而传统的限流器很难在短时间内对电网的脉冲电流起到限制作用。高温超导限流器正好祢补了传统限流器的缺点，其限流时间可小于百微秒级，能快速和有效地起到限流作用。超导限流器是利用超导体的超导态-常态转变的物理特性来达到限流要求，它可同时集检测、触发和限流于一身，被认为是当前最好的而且也是唯一的行之有效的短路故障限流装置。1989年以来，美国、德国、法国、瑞士和日本等都相继开展了高温超导限流器的研究。当前，国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近应用的水平，但大体上仍处在示范试验阶段。超导储能装置超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其他负载的一种电力设施。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态，线圈中所储能几乎无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷或解决电网瞬间断电对用电设备的影响，而且可用于降低或消除电网的低频功率震荡从而改善电网的电压和频率特性，同时还可用于无功和功率因数的调节以改善电力系统的稳定性。4