超導性及其應用

第21卷第2期忻州師范學(xué)院學(xué)報Vol 21 No. 22005年4月JOURNAL OF XINZHOU TEACHERS UNIVERSITYApr.2005超導性及其應用韓新華(忻州師范學(xué)院,山西忻州034000摘要:文章回顧了超導的發(fā)現過(guò)程,綜述了超導的主要性質(zhì),并較為詳細地介紹了超導典型的三類(lèi)應用,指出超導有著(zhù)廣闊的應用前景。關(guān)鍵詞:超導性;零電阻特性;邁斯納效應;應用中圖分類(lèi)號:O511.9文獻標識碼:A文章編號:1671-1491(2005)02-0022-021911年,奇妙的超導現象被發(fā)現后很快引起了世界科學(xué)現超導轉變是可逆的,對超導樣品進(jìn)行加熱,當超過(guò)臨界溫家的極大關(guān)注。在他們90年的艱辛探索中,更為全面地了度時(shí),樣品又恢復其正常的電阻率,與樣品的歷史無(wú)關(guān)解了超導的性質(zhì)并對其進(jìn)行了理論解釋,一次又一次地刷新2.2邁斯納效應了超導轉變溫度,尤其是隨著(zhù)高溫超導材料的不斷問(wèn)世,超從1911年發(fā)現超導體的零電阻現象后,人們普遍認為導的應用領(lǐng)域更為廣泛,應用前景十分誘人超導體處于超導態(tài)時(shí)具有完全理想的導電性質(zhì),超導體在超1超導現象的發(fā)現導態(tài)下是一種完全理想的導體。至于它的磁學(xué)性質(zhì),人們研1908年,荷蘭萊頓實(shí)驗室在卡末林·昂納斯( Kamer究的并不深入。直到1933年,德國物理學(xué)家邁斯納(WLing Onnes)的指導下,經(jīng)過(guò)長(cháng)期努力后實(shí)現了氦氣的液化。 Meissner)和奧克森菲爾德(R. Ochsenfeld)通過(guò)對圍繞球形當時(shí)他們測定在一個(gè)大氣壓下氮的液化點(diǎn)是4.2K使萊頓導體—晶體錫的磁場(chǎng)分布的精心測量驚奇地發(fā)現:無(wú)論是實(shí)驗室獲當時(shí)世界上所能達到的最低溫度。很久以來(lái)人們先降溫后加磁場(chǎng),還是先加磁場(chǎng)后降溫,只要錫球過(guò)渡到超已經(jīng)知道金屬的電阻率隨溫度的降低而減小,所以昂納斯導態(tài),在錫球周?chē)拇艌?chǎng)就會(huì )突然發(fā)生變化,磁力線(xiàn)似乎一決定研究一下在他們所達到的新低溫區內金屬電阻變化的下子被排斥在超導體之外。也就是說(shuō),超導體只要處于超導規律。1911年2月,昂納斯教授和他的學(xué)生在做水銀電阻與態(tài),它就像一個(gè)理想抗磁體把體內的磁力線(xiàn)排斥在體外,而溫度的變化關(guān)系時(shí)意外地發(fā)現,當溫度下降到4.2K時(shí),水銀在超導體內部磁感應強度保持為零。超導體的這種特殊的電阻突然降為零。這是人們第一次看到的超導電性。隨后他性質(zhì)被后人稱(chēng)為“邁斯納效應又發(fā)現錫和鉛也有此種現象。1913年,昂納斯第一次使用了2.3超導態(tài)并非僅取決于溫度“超導電性”( Superconductivity)一詞,他指出:“水銀在4K進(jìn)昂納斯在嘗試用超導線(xiàn)圈繞制超導電磁鐵以產(chǎn)生強磁入一個(gè)新的狀態(tài),因其特殊的電性質(zhì)可以稱(chēng)之為超導態(tài)?！卑簣?chǎng)時(shí)發(fā)現,當超導鉛線(xiàn)中的電流超過(guò)某一臨界值l時(shí),鉛線(xiàn)納斯教授因這一發(fā)現獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎,他是獲得就由超導態(tài)變?yōu)檎B(tài);1914年他又用實(shí)驗證明,對于溫度諾貝爾獎的第一位低溫物理學(xué)家低于臨界溫度Tc的超導體,當外磁場(chǎng)超過(guò)某一值H時(shí)超導2超導的幾個(gè)主要性質(zhì)態(tài)就被破壞?？梢?jiàn),超導態(tài)不僅與溫度有關(guān),還與外磁場(chǎng)和2.1零電阻特性超導體中的電流有關(guān)。超導轉變溫度Tc是在無(wú)磁場(chǎng)的條件對于許多物質(zhì),當溫度高于臨界溫度Tc時(shí),處于正常下,從正常態(tài)過(guò)渡到超導態(tài)的臨界溫度。要使導體處于超導態(tài),電阻不為零,服從一般金屬導體電阻的變化規律;到低于態(tài),必須將其置于Tc、、H以下,任何一個(gè)條件被破壞,超臨界溫度Tc時(shí)則電阻降為零該物質(zhì)稱(chēng)為超導體。導體中導態(tài)就會(huì )消失沒(méi)有了電阻電流在導體中毫無(wú)阻力地流過(guò),電流流經(jīng)導體3超導的主要應用時(shí)不發(fā)生熱損耗。零電阻特性是所有超導體的一個(gè)共性。土陽(yáng)出了導技術(shù)的應用范圍不同的超導材料,臨界溫度值往往不同。而且,昂納斯還發(fā)所以中國煤化工直致力于提高材料CNMHG收稿日期:2004-09-01作者簡(jiǎn)介:韓新華(1973-),女,山西繁峙人,忻州師范學(xué)院物電系講師,碩士,從事物理學(xué)研究。第2期韓新華:超導性及其應用的臨界溫度。經(jīng)過(guò)科學(xué)家的努力研究,高溫超導材料不斷問(wèn)體技術(shù),要進(jìn)一步提高其運算速度,會(huì )造成芯片發(fā)熱,這些熱世,使超導技術(shù)走向廣泛應用,其應用前景十分誘人。超導量不僅會(huì )影響半導體材料的性能甚至會(huì )損壞內部元件。普的應用大致分為三類(lèi):強電應用(大電流應用);弱電應用(電通計算機運算速度的提高受到了散熱的障礙。超導計算機子技術(shù)應用);抗磁性應用。中電流通過(guò)超導元件時(shí)不發(fā)熱,也不損耗,超導集成電路中3.1強電應用的功耗是普通硅集成電路的幾百分之一。所以超導計算機超導體的零電阻特性使其可承載大電流,而且無(wú)熱損是很有發(fā)展潛力的新一代高速、低耗、高性能計算機。日本耗,并在其周?chē)a(chǎn)生強磁場(chǎng)。在超導現象發(fā)現后,人們首先ETL研究所已于1991年研制成世界上第一臺超導計算機。想到的就是超導體的強電應用,在電力工業(yè)上應用非常廣利用約瑟夫遜結可制成精密的超導磁場(chǎng)計,它能分辨泛如超導電機超導變壓器超導儲能以及超導輸電等。其10-14T~10-15T的磁場(chǎng),可以測量極弱的磁場(chǎng)及磁場(chǎng)微小中超導輸電和超導儲能更為矚目。的變化,測量精度比其他儀器高3~4個(gè)數量級。超導磁場(chǎng)由于傳統的電力輸送過(guò)程中,送電、變電、配電的每一步計成功地應用于軍事學(xué)、地質(zhì)勘探、海洋資源探測、地震預報都有電阻存在,大量的電力在輸送過(guò)程中被白白浪費了,而等領(lǐng)域。且為了在遠距離送電時(shí)克服電阻還要用非常高的電壓。而3.3抗磁性應用通過(guò)超導電纜來(lái)輸電具有損耗低、容量大、無(wú)污染等明顯優(yōu)利用超導材料的抗磁性,將超導體置于一塊永久磁體上勢,是解決大容量低損耗輸電的重要途徑。1998年我國第一方,由于磁體的磁力線(xiàn)被超導體排斥在外,磁體和超導體之根1m/1KA高溫超導電纜研制成功。2004年7月10日,由間產(chǎn)生排斥力,而使超導體懸于磁體上方,利用這個(gè)原理可國產(chǎn)超導線(xiàn)材制造的我國第一組超導電纜在昆明正式并網(wǎng)制作超導懸浮列車(chē)。由于是在無(wú)摩擦的狀態(tài)下,超導懸浮列運行,這標志著(zhù)繼美國、丹麥之后我國成為世界上第三個(gè)將車(chē)具有阻力小,速度快,平穩,舒服,且無(wú)噪聲、無(wú)廢氣污染的超導電纜投入電網(wǎng)運行的國家。特點(diǎn),是一種非常理想的列車(chē)。1972年日本首次成功地進(jìn)行超導儲能是利用超導閉合線(xiàn)圈作為儲能器,在線(xiàn)圈中通了22噸的超導磁懸浮列車(chē)實(shí)驗。日本在山梨縣建成了18以電流將電磁能儲存起來(lái),在需要的時(shí)候作電網(wǎng)峰值負載補4公里的超導磁懸浮列車(chē)試驗線(xiàn),1999年4月超導磁懸浮列償或發(fā)生故障時(shí)供電。超導儲能裝置能長(cháng)期無(wú)損耗地儲存車(chē)在試驗線(xiàn)上創(chuàng )造了時(shí)速552公里的世界紀錄。2000年12能量,轉換效率高達95%。月31日西南交通大學(xué)研制成功世界上第一輛載人“高溫超3.2弱電應用導磁懸浮實(shí)驗車(chē)”它標志著(zhù)我國在高溫超導磁懸浮科學(xué)研超導技術(shù)另一方面的重要應用就是利用超導隧道效應究與實(shí)驗技術(shù)領(lǐng)域已達到世界領(lǐng)先水平支撐的約瑟夫遜器件(約瑟夫遜結)制作超導計算機和各種此外超導材料的抗磁性還應用于超導重力儀,超導重力靈敏的探測器儀可非常靈敏地確定重力加速度的變化。其工作原理是利1962年,英國物理學(xué)家約瑟夫遜提出了超導隧道效應原用持續電流方式運行的超導線(xiàn)圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng),把特制的超理:當通過(guò)約瑟夫遜結(超導體—絕緣體—超導體)的電導球懸浮起來(lái)。由測定球體的垂直位置的變化,來(lái)確定重力流低于臨界電流時(shí),結兩端不出現電壓降;當電流高于臨界電的變化(責編:翟保評)流時(shí)結兩端產(chǎn)生幾毫伏的電壓降,通過(guò)控制電流可使結在兩參考文獻種狀態(tài)之間轉換。[1]方進(jìn).超導技術(shù)應用前景展望[J].物理通報,2000,利用約瑟夫遜結可制成邏輯電路,由此制作的超導計算(9):43機同普通計算機相比有許多優(yōu)點(diǎn):首先是其運算速度快。超[2]沈建民略談超導研究[J物理教師,2001,(4):33-34導開(kāi)關(guān)的速度已達幾微微秒(1微微秒=10-12秒),這樣使超[3]周云淺談超導性[J]現代物理知識,2003,(6):48-導計算機的運算速度比現在已有的計算機提高1-2個(gè)數量級;再者,超導計算機的功耗低。普通計算機大多采用半導Superconductivity and its applicationshAn Xin-huaXinzhou Teachers University, Xinzhou 034000, China)Abstract: The discovery of superconductivity is looked back, chd many applications of superconductivity are introduced in detaYH中國煤化工CNMHGoutcation foreground of superconductivity is very wideKey words: superconductivity; zero-resistance characteristic; the Meissner effect; applications