超导体及其应用

超导体及其应用
超导材料,又称为超导体(superconductor)。当某导体在一温度下,可使电阻为零而称之。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度,叫超导临界温度。
最初发现物体的超导现象是在1911年。某些材料在极低的温度下,其电阻会完全消失,这令荷兰科学家卡?翁纳斯等人惊奇不已。于是这以后,超导研究便成为一个重要课题。关于超导体,科学家在不断的研究,因此也发现和创造出许多的超导材料例如1911年,荷兰物理学家卡莫林.昂内斯(H.Karmerligh-onnes)在莱顿(Leiden)实验室研究在极低温度下各种金属电阻变化时,首先发现水银(Hg)在4.2K时电阻突然为零的现象(称为超导电性),揭开了超导研究的序幕.昂内斯由于1980年液化了氦和1911年超导现象的研究,获得了1913年度诺贝尔物理学奖.此后科学家们经过七十余年的努力,直到1986年初,已发现并制造出了解上千种超导材料,同时把金属及其合金超导材料的临界温度Tc(出现超导现象的温度)从4.2K提高到23.2K(1973年发现的NB3Ge化合物的Tc=23.2k,直到1985年一直保持着最高临界温度的记录),平均每年只获得0.253K的进展,然而在1986年却发生了突破.1986年1月,IBM苏黎世实验室的德国人贝德诺尔兹
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(J.G.Bednorz)瑞士人米勒(K.A.Muler)宣布发现可能达到Tc=35K的镧钡铜氧化物超导体。
超导体按不同条件可以分为不同种类例如.超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。由温度的不同范围可分为高温超导体和低温超导体和常温超导体低温超导材料(low temperature
superconducting material) 具有低临界转变温度(Tc<30K),在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 ),Tc 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体,Tc 在 9K 以上。高温超导体是超导物质中的一种族类,具有一般的结构特征以及相对上适度间隔的铜氧化物平面。它们也被称作铜氧化物超导体。常温超导体在生活中则最多见了由物理性质可以分为第一超导体和第二超导体。第一类超导体(又称Pippard超导体或软超导体),在已发现的超导元素中只有钒、铌和锝属第二类超导体,其他元素均为第一类超导体,但大多数超导合金则属于第二类超导体。第一类超导体只存在一个临界磁场Hc,当外磁场H<Hc时,呈现完全抗磁性,体内磁感应强度为零。第二类超导体指界面能小于零的超导体。根据超导体在磁场中磁化曲线的差异,超导体可分为第一类和第二类两类。在已发现的超导元素中,只有钒、
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铌和钽属于第二类,其他元素均属第一类。还可以由超导理论可以分为传统超导体和非传统超导体。
此外面对超导体的越演越烈的研究趋势,科学家们对低温超导体和高温超导体的研究已取得了辉煌的成就。科学家们惊讶的发现超导体主要有两个基本特性,即:?零电阻性或完全导电性;?完全抗磁性。因此,它在科研、生产的各个领域都可以有着广泛的应用。所以总体来说可分为两大类:一类是用于强电,用超导体制成大尺度的超导器件,如超导磁铁、电机、电缆等,用于发电、输电、贮能和交通运输等方面。另一类是用于弱电,用超导体制成小尺度的器件,如超导量子干涉器件(简称SQVID)和制成计算机的逻辑元件,用于精密仪器仪表、计算机等方面。
超导体对人类社会影响最大的将是提供更多的电力,超导用于发电的装置目前有磁流体发电、超导电机发电、热核聚变发电三种。
滋流体发电是一种高效、低污染、单机容量大、直接将热能转变为电能的一种新型的发电方式。普通火力发电需把热能转化为机械能再转化为电能,效率最高只有33一36,。磁流体发电是让煤(石油、天然气)加氧化剂、添加剂燃烧产生的等离子体高速通过磁场,使热能
直接转化为电能,磁流体一蒸汽联合循环发电装置最高效率达到55%,而且可自动脱硫,污染小(但这种发电方式目前遇到的困难是当磁感应
强度在1.5特以上时,磁流体的铁芯逐渐处于磁饱和,磁场强度很难再提高。于是人们就想到超导体,如果利用超导磁体,那么就很容易在较大体积内产生强度为几十特的磁场,且消耗的励磁功率很小,它具有性能良好,质量小等优点。例如,磁感应强度可达4一5特的超导磁体,质量只有300一500克,而要产生同样磁场强度的磁体质量却有15一20吨。目前,美国、前苏联、日本都建有这种超导磁流体发电机。
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超导发电机发电是利用超导体制造发电机磁极绕组,不仅可大大增加发电机的极限输出容量,而且效率高,体积小,质量小,可节约大量电能和金属材料。常规的两极发电机的极限输出在现今条件下只能达到1.5×109瓦,但超导发电机则可达3×1010瓦,甚至更大。一台6×106瓦的电动机,常规质量为370×103千克,采用超导体材料仅重40×103千克;又如目前已建成的一台5×106瓦超导交流发电机,其功耗比普通电机减少三分之二,体积缩小百分之八十以上。因此有人估计,超导体可以把发电成本降低60,,可以把经电缆输电的成本降低10,,这些优点使得它特别适宜于建造高效率的大型发电站、移动电源及做为太空飞船的动力设备。
超导体还可帮助科学家建立核聚变发电系统,这种发电系统是以氢做燃料的,其反应温度与太阳的温度一样高。从理论上讲这种能源是取之不尽的,在实践上,关键问题是如何生成足够强大的磁场来超导体的应用最主要的是做电磁铁
的超导线圈以产生强磁场。和传统的相比,具有体积小、设备简单、省电等优点。超导体也在高能加速器、受控热核反应实验中得到广泛的应用。在医学上超导电磁铁还用作“核磁共振波谱仪”的关键部件。利用核磁共振技术成像可早期诊断癌症,具有准确率高、无辐射伤害、诊断面广、使用方便等优点。
在电力工业中(超导电机是最感兴趣的应用之一(它具有极限功率大、重量轻、体积小等优点,是作为大功率核能发电站和潜水艇的理想发电机;超导材料还可作为远距离输送电能的传输线,由于其电阻为零,大大减小了导线上的能量损失;更重要的是,由于具有重量轻、体积小、输送功率大的超导传输线可铺设在地下管道中,可省去传统的架设铁塔。另外用超导材料输电不需要升压,可传输直流电。所以设备简单、经济,可望有较大的发展前途。除此之外超导磁悬浮的还可能应用在交通上。在列车下部装上超导线圈,当它通有电流,列车启动后可悬浮在铁轨上。这样具有减小摩擦、提高速率的功能。同时控制剧烈的
灰雀教学实录热核反应,超导材料将能够解决这个问题。另外还可以制成超导体、医用射频超导量子干涉磁强计。这种分辨率高,可以给出人体心(脑、眼)等部位的精准磁图,以确定这些部位的生理和病理状态。 当然,超导体的应用不止这些制作它还可以超导核磁共振层析成像仪。超导磁体能够提高精度及图像的清晰度。另外还
有超导计算机。它有很高的测量精度和稳定性。在运算速度上比现在已有的计算机提高1-2个数量极。(电路能耗显著降低,并且其中的逻辑器件开关灵敏度高)超导磁场计。高灵敏度。
超导测辐射热计。为了提高测辐射热计的灵敏度,就必须使它在低温下运行,利用超导体的某一种随温度而急剧变化的性质,那么超导体就可以成为有效的探测元件。、超导陀螺仪。高速旋转的超导球,利用磁场控制,转速更高,反应更快。、 超导重力仪。可以研究地球的弹性性质,长周期地壳运动和预测地震等。

本文发布于:2024-09-22 09:27:53,感谢您对本站的认可!

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