超导性及其应用

第21卷第2期忻州师范学院学报Vol 21 No. 22005年4月JOURNAL OF XINZHOU TEACHERS UNIVERSITYApr.2005超导性及其应用韩新华(忻州师范学院,山西忻州034000摘要:文章回顾了超导的发现过程,综述了超导的主要性质,并较为详细地介绍了超导典型的三类应用,指出超导有着广阔的应用前景。关键词:超导性;零电阻特性;迈斯纳效应;应用中图分类号:O511.9文献标识码:A文章编号:1671-1491(2005)02-0022-021911年,奇妙的超导现象被发现后很快引起了世界科学现超导转变是可逆的,对超导样品进行加热,当超过临界温家的极大关注。在他们90年的艰辛探索中,更为全面地了度时,样品又恢复其正常的电阻率,与样品的历史无关解了超导的性质并对其进行了理论解释,一次又一次地刷新2.2迈斯纳效应了超导转变温度,尤其是随着高温超导材料的不断问世,超从1911年发现超导体的零电阻现象后,人们普遍认为导的应用领域更为广泛,应用前景十分诱人超导体处于超导态时具有完全理想的导电性质,超导体在超1超导现象的发现导态下是一种完全理想的导体。至于它的磁学性质,人们研1908年,荷兰莱顿实验室在卡末林·昂纳斯( Kamer究的并不深入。直到1933年,德国物理学家迈斯纳(WLing Onnes)的指导下,经过长期努力后实现了氦气的液化。 Meissner)和奥克森菲尔德(R. Ochsenfeld)通过对围绕球形当时他们测定在一个大气压下氮的液化点是4.2K使莱顿导体—晶体锡的磁场分布的精心测量惊奇地发现:无论是实验室获当时世界上所能达到的最低温度。很久以来人们先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要锡球过渡到超已经知道金属的电阻率随温度的降低而减小,所以昂纳斯导态,在锡球周围的磁场就会突然发生变化,磁力线似乎一决定研究一下在他们所达到的新低温区内金属电阻变化的下子被排斥在超导体之外。也就是说,超导体只要处于超导规律。1911年2月,昂纳斯教授和他的学生在做水银电阻与态,它就像一个理想抗磁体把体内的磁力线排斥在体外,而温度的变化关系时意外地发现,当温度下降到4.2K时,水银在超导体内部磁感应强度保持为零。超导体的这种特殊的电阻突然降为零。这是人们第一次看到的超导电性。随后他性质被后人称为“迈斯纳效应又发现锡和铅也有此种现象。1913年,昂纳斯第一次使用了2.3超导态并非仅取决于温度“超导电性”( Superconductivity)一词,他指出:“水银在4K进昂纳斯在尝试用超导线圈绕制超导电磁铁以产生强磁入一个新的状态,因其特殊的电性质可以称之为超导态。”昂场时发现,当超导铅线中的电流超过某一临界值l时,铅线纳斯教授因这一发现获得1913年诺贝尔物理学奖,他是获得就由超导态变为正常态;1914年他又用实验证明,对于温度诺贝尔奖的第一位低温物理学家低于临界温度Tc的超导体,当外磁场超过某一值H时超导2超导的几个主要性质态就被破坏。可见,超导态不仅与温度有关,还与外磁场和2.1零电阻特性超导体中的电流有关。超导转变温度Tc是在无磁场的条件对于许多物质,当温度高于临界温度Tc时,处于正常下,从正常态过渡到超导态的临界温度。要使导体处于超导态,电阻不为零,服从一般金属导体电阻的变化规律;到低于态,必须将其置于Tc、、H以下,任何一个条件被破坏,超临界温度Tc时则电阻降为零该物质称为超导体。导体中导态就会消失没有了电阻电流在导体中毫无阻力地流过,电流流经导体3超导的主要应用时不发生热损耗。零电阻特性是所有超导体的一个共性。土阳出了导技术的应用范围不同的超导材料,临界温度值往往不同。而且,昂纳斯还发所以中国煤化工直致力于提高材料CNMHG收稿日期:2004-09-01作者简介:韩新华(1973-),女,山西繁峙人,忻州师范学院物电系讲师,硕士,从事物理学研究。第2期韩新华:超导性及其应用的临界温度。经过科学家的努力研究,高温超导材料不断问体技术,要进一步提高其运算速度,会造成芯片发热,这些热世,使超导技术走向广泛应用,其应用前景十分诱人。超导量不仅会影响半导体材料的性能甚至会损坏内部元件。普的应用大致分为三类:强电应用(大电流应用);弱电应用(电通计算机运算速度的提高受到了散热的障碍。超导计算机子技术应用);抗磁性应用。中电流通过超导元件时不发热,也不损耗,超导集成电路中3.1强电应用的功耗是普通硅集成电路的几百分之一。所以超导计算机超导体的零电阻特性使其可承载大电流,而且无热损是很有发展潜力的新一代高速、低耗、高性能计算机。日本耗,并在其周围产生强磁场。在超导现象发现后,人们首先ETL研究所已于1991年研制成世界上第一台超导计算机。想到的就是超导体的强电应用,在电力工业上应用非常广利用约瑟夫逊结可制成精密的超导磁场计,它能分辨泛如超导电机超导变压器超导储能以及超导输电等。其10-14T~10-15T的磁场,可以测量极弱的磁场及磁场微小中超导输电和超导储能更为瞩目。的变化,测量精度比其他仪器高3~4个数量级。超导磁场由于传统的电力输送过程中,送电、变电、配电的每一步计成功地应用于军事学、地质勘探、海洋资源探测、地震预报都有电阻存在,大量的电力在输送过程中被白白浪费了,而等领域。且为了在远距离送电时克服电阻还要用非常高的电压。而3.3抗磁性应用通过超导电缆来输电具有损耗低、容量大、无污染等明显优利用超导材料的抗磁性,将超导体置于一块永久磁体上势,是解决大容量低损耗输电的重要途径。1998年我国第一方,由于磁体的磁力线被超导体排斥在外,磁体和超导体之根1m/1KA高温超导电缆研制成功。2004年7月10日,由间产生排斥力,而使超导体悬于磁体上方,利用这个原理可国产超导线材制造的我国第一组超导电缆在昆明正式并网制作超导悬浮列车。由于是在无摩擦的状态下,超导悬浮列运行,这标志着继美国、丹麦之后我国成为世界上第三个将车具有阻力小,速度快,平稳,舒服,且无噪声、无废气污染的超导电缆投入电网运行的国家。特点,是一种非常理想的列车。1972年日本首次成功地进行超导储能是利用超导闭合线圈作为储能器,在线圈中通了22吨的超导磁悬浮列车实验。日本在山梨县建成了18以电流将电磁能储存起来,在需要的时候作电网峰值负载补4公里的超导磁悬浮列车试验线,1999年4月超导磁悬浮列偿或发生故障时供电。超导储能装置能长期无损耗地储存车在试验线上创造了时速552公里的世界纪录。2000年12能量,转换效率高达95%。月31日西南交通大学研制成功世界上第一辆载人“高温超3.2弱电应用导磁悬浮实验车”它标志着我国在高温超导磁悬浮科学研超导技术另一方面的重要应用就是利用超导隧道效应究与实验技术领域已达到世界领先水平支撑的约瑟夫逊器件(约瑟夫逊结)制作超导计算机和各种此外超导材料的抗磁性还应用于超导重力仪,超导重力灵敏的探测器仪可非常灵敏地确定重力加速度的变化。其工作原理是利1962年,英国物理学家约瑟夫逊提出了超导隧道效应原用持续电流方式运行的超导线圈所产生的磁场,把特制的超理:当通过约瑟夫逊结(超导体—绝缘体—超导体)的电导球悬浮起来。由测定球体的垂直位置的变化,来确定重力流低于临界电流时,结两端不出现电压降;当电流高于临界电的变化(责编:翟保评)流时结两端产生几毫伏的电压降,通过控制电流可使结在两参考文献种状态之间转换。[1]方进.超导技术应用前景展望[J].物理通报,2000,利用约瑟夫逊结可制成逻辑电路,由此制作的超导计算(9):43机同普通计算机相比有许多优点:首先是其运算速度快。超[2]沈建民略谈超导研究[J物理教师,2001,(4):33-34导开关的速度已达几微微秒(1微微秒=10-12秒),这样使超[3]周云浅谈超导性[J]现代物理知识,2003,(6):48-导计算机的运算速度比现在已有的计算机提高1-2个数量级;再者,超导计算机的功耗低。普通计算机大多采用半导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中国煤化工CNMHGoutcation foreground of superconductivity is very wideKey words: superconductivity; zero-resistance characteristic; the Meissner effect; applications