低温超导技术简介

• 超导现象、超导体、转变温度 • 有些物质当温度降低到绝对零度的附近时，它的 电阻率突然减小到无法测量的程度(电阻率突然 变为零)这种现象叫超导现象． • 能够发生超导现象的物质成为超导体．从正常状 态转变到超导状态的温度，称为转变温度，用 Tc来表示． • 超导体的应用的前景 • 由于超导体的电阻几乎为零，超导的线圈中一旦 激发起电流可以持续很久，发果输电线用超导的 材料做可以大大地避免电能在输送过程中的损 失． • 磁悬浮列车也是超导应用的例子之一，实现超导 要很低的温度，现在的人们都希望找到在室温下 能工作的超导材料．
• 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。 • 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。
高温超导应用新进展
• 高温超导电缆 ---6米长高温超导电缆成功通 过了1450安培的电流试验。 • 高温超导材料的不断问世，为超导材料从实 验室走向应用铺平了道路。 • 超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 • 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完 全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就 可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用 常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需 要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资 巨大。
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• 目前低温与超导技术的发展除了在某些基础理论方面正在突破， 如超导材料机理、新型超导材料的搜索、新型制冷机理的探索、 超流氦传输特征和物性的研究等等之外，低温与超导技术本身在 国外已经成为一种基础工业技术，成为现代科学技术的一个重要 组成部分。尤其是近三十年来的飞速发展，其应用范围已扩大到 军事、航天、能源、动力、运输、材料、电子、通讯、环境、食 品、生物和医疗等各个方面。例如，大功率远红外制导、卫星通 讯设备、超导电机和电器、超导磁体、超导射频腔、超导输变电 缆、超导电限流器、超导磁悬浮、超导储能装置、航天推进装置、 宇宙深低温环境模拟、超高真空低温冷泵、超冷原子物理学、电 子元器件制冷，空气分离和液化、天然气液化和储运、食品速冻 和冷藏、生物低温存储和低温医疗、材料低温处理等等。至今， 以低温与超导工程技术为基础的众多企业已经成为美欧日国民经 济的重要支柱之一。但是，超导技术的应用因受氦制冷设备造价 较高的限制，目前能大规模应用的除了医用核磁共振仪和工业低 温真空泵以外，主要是使用在科学研究的工程项目中。
• 超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙现象，是由荷兰的物理 学家卡麦林·昂纳斯最先发现的。 • 1908年，昂纳斯（1853—1926年）成功地液化了地球上最后一个“永久气 体”──氦气，得到了接近绝对零度（0K＝-273.15℃）的低温：4.25K～1.15K。 之后，他把目标转向了“极低温下金属电阻随温度变化规律的研究”。昂纳 斯先是用铂丝，接着用纯度更高的水银做实验，他吃惊的发现水银在温度降 至氦的沸点即4.2K时（相当于-269℃），电阻竟意外地消失了。起初昂纳斯还 以为是线路出现了故障，几经测定，最后他确信，水银在4.2K下会产生一种 新的导电特性──“零电阻性’或“超导电性”。1911年4月28日，昂纳斯公布 了这一发现，并在随后几篇论文中明确指出，某些材料在一定温度下能进入 一种电阻为零的新物态。他将这种新物态命名为“超导态”，同时把具有从 正常态（电阻不为零）转变为超导态能力的材料称作“超导体”，把能使超 导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度称为“临界温度”。他进 一步用铅环做实验，当铅变为超导态时，九百安培的电流在铅环中流动不止， 两年半以后毫无衰减。 • 昂纳斯的这一发现轰动了全世界的科学家，大家纷纷实验，并且想要揭开超 导的奥秘，因为只有了解了超导现象的微观机理，才能使超导为人类作出更 大的贡献。 • 现在，科学家已发现有上千种元素和化合物在低温下可以转化为超导态。对 所谓“零电阻性”也已有共识：超导体即使有电阻，它的电阻率必然小于1026“欧·米，而且只对直流电适用，若给超导体通入交流电，它仍会出现类似于 常规电阻的“交流损耗”。从这个意义上讲，超导体似乎可以说是一种直流 理想导体。
奇异的超导陶瓷
• 1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金，其临界超 导温度为23.2K，该记录保持了13年。1986年，设在瑞 士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物 （镧－钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了传 统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，几乎每隔几天，就 有新的研究成果出现。 • 1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其 临界超导温度达到40K，液氢的“温度壁垒”（40K） 被跨越。1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科 学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导 温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也奇迹般地 被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把 临界超导温度的记录提高到125K。从1986－1987年的短 短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了100K以上， 这在材料发展史，乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹！
• 1911年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温 度下降到４.２K时发现水银的电阻完全消失，这种 现象称为超导电性。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔 德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却， 则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中 排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。 • 超导电性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。经过科学 家们数十年的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越， 下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。
• 我国高温超导电缆研究水平大致相当于美国 1997－1998年的水平
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
• 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％。
超导现象
• 超导现象是1911年由荷兰物理学家昂内斯 发现的。他发现当温度降到绝对温度4．2 度时（绝对温度零度相当于零下273摄氏 度），水银的电阻突然消失了。可惜的是， 传统的超导电现象只能在液氦温区（－ 269℃）才能出现，而氦是一种稀有气体， 因而大大限制了超导的应用。1986年夏， 当时在瑞士工作的物理学家缪勒和贝德诺 兹发现，一类特殊的铜氧化物超导转变温 度高达近40度绝对温度。
广阔的超导应用
• 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。 大电流应用即前述的超导发电、输电和 储能；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。
• 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。 • 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。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℃。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。
• 低温技术在物性研究领域也起到重要的作 用，低温下物质表现出的超导、磁有序、 电子相变等，低温极端条件下物性的研究 是当前的热点。低温、强磁场和高压下固 体性质的检测对于新材料的设计和应用都 有重大意义。超低温系统的研制与开发为 超冷原子物理学、德布罗意波光学等新兴 的学科领域的形成与发展奠定了技术基础。 其中具有重要科学意义的如激光冷却及原 子俘获、玻色-爱因斯坦凝聚的实现，分别 于1997年和2001年获得诺贝尔物理学奖， 说明低温技术在现代科学领域的重要性。
低温超导技术简介
低温技术是指在－150°C以下的制冷技术。目前真正可 应用的超导工程材料主要是铌钛合金，其超导临界温度 为－264°C左右。高温超导材料的临界温度虽然可达到 液氮温度（－196°C）以上，但工艺性能有待提高，目 前还没有完成工业化过程。以铌钛材料制造的各种应用 超导装置必须采用氦制冷系统才能实现超导状态。因此 超导技术与低温技术是分不开的。低温工程技术起源于 低温物理学，同时也促进了物理学的发展。历史上，某 些物质具有超导特性就是在低温学的研究中发现的。低 温学的研究逐渐发展起来一整套低温制冷技术、随之出 现了超高真空技术、超导技术、高强磁场技术、超导射 频技术等等应用技术。
• 传统电缆由于有电阻，电流密度只有300－400安培 ／平方厘米，而高温超导电缆的电流密度可超过 10000安培／平方厘米，传输容量比传统电缆要高5 倍左右，功率损耗仅相当于后者的40％。如果我国 输电线路全部采用超导电缆，则每年可节约400亿元。 • 美国已经开发出30米长3000安培的铋系电缆，并在 电力公司满负荷运行半年多。 • 国外最新的超导材料已经达到长1000－2000米、电 流密度在10000－15000安培／平方厘米以上的水平， 而国内材料最好的也就是100米长，电流密度3000安 培／平方厘米。