超导技术及其应用

超导技术及其应用

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。1986年10月，瑞士科学家缪勒和德国科学家柏诺兹在研究氧化物导电陶瓷材料LaBaCuO时发现在30K以上有超导迹象。世界上立即展开了对高温超导体研究热潮，科学家制备出多系列近百种超导体。2001年，平静几年后的超导材料基础研究又获得了重要成果：发现了新型高温超导材料二硼化镁；除了合金和陶瓷中，目前已经在有机材料、碳60分子和一维碳纳米管中发现超导性。这些重大研究成果极大地鼓舞了科技界和产业界。

超导材料的应用大致可分为两大类，即强电应用和弱电应用。强电应用包括稳定电网的设备如超导限流器和变压器、磁体和储能系统、大电流输电等。在磁体技术成熟后，还可以用于超导核磁成像、磁悬浮列车、超导电机等等。弱电应用有微弱磁信号探测，可以探测到地磁场的亿分之一的信号强度。可用于心磁和脑磁探测、大地探矿等，也可以制成滤波器等微波器件，用于通讯和国防。

超导技术主要应用于以下领域：

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％。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，第一是降低了输电损失,由于输电损失是输送电流的平方与输电线路上的电阻的乘机,因为没有电阻,所以该相数值为零. 第二是简化绝缘,因为绝缘通常是热老化而击穿,由于回路上没有电阻,因此就不会发热,因此对于象变压器,发电机.电动机等设备,就不用考虑设备的热绝缘问题,因为目前的绝缘水平,温度在80到130度期间,每升高6度,绝缘寿命就减少50% 第三就是长距离输电的系统稳定问题得到解决.因为线路用铝导线制成,而铝的电阻温度系数是大于零的,因此如果线路通过的电流过大,就会导致线路上的电阻大幅度增加,由于输电线路的稳定输送功率极限和线路的电压的平方成正比,而与线路上的阻抗成反比,因为线路在一定位置需要进行换相以使电容性和电抗性的阻抗相互抵消,因此线路上的阻抗实际体现为电阻性质的阻抗,由于没有电阻,因此就决定没有稳定问题,因为分母为零,数值为无穷大

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℃，没有任何常

规材料可以包容这些物质。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。

在理论上，发生超导现象时导体中电流的阻尼消失，因此可以产生一些特殊的物理性质。如医疗仪器中的核磁共振就利用了超导磁体，现在很多县、市级以上的医院都有这些设备。现在医院核磁共振仪器的工作温度是绝对温度4.2K(零下268.8摄氏度)这需要用液氦来降温，而氦是一种稀有气体，因而大大地限制了超导的应用。现在新发现的超导材料温度在130K时就出现超导，加高压后最高可达160K。如果能达到200多K，对制冷要求就非常低。这将大大提高超导的应用范围。

使用超导连接的微小固体元件制造量子计算机的组成元件，如果能够以几个～1个原子为单位对真空中无序飞行的原子进行控制，并将其用作量子bit的话，量子bit之间无误差而且能够更加长期稳定地保持量子状态的运算元件就有望实现。作为量子计算机的组成元件——量子bit，使用纳米级半导体结构及超导连接的微小固体元件一直是研究的对象。在这些元件中，由于量子bit的特性取决于微加工，在使用多个元件的运算中，加工精度的误差会成为问题。而且，由于固体的原子之间连接紧密，受到原子热振动的影响，量子状态容易受到破坏。与此相比，如果能把真空中以单体形式存在的原子用作量子bit，各量子bit 的能级间隔等特性将由原子的种类决定，而不受其他原子的影响，从而可以解决这些问题。

总体而言超导技术的大规模应用主要取决于未来能否将超导体的临界温度变得更接近常温，从而降低超导技术应用的成本。而这又取决于人们能否找到更好的制作超导的材料，或者是改进超导的制作工艺。随着科技的发展，新的制作工艺会不断出现，具有良好超导性能的超导材料必然会被人们所发现。例如空间技术的发展带动了太空实验的发展，在太空微重力的条件下或许有我们想要的结果；再如纳米材料相对于一般材料有着许多不为人知的优良特性，而或许新的超导材料就隐藏其中，重要的是人们不要停下探索的脚步，超导技术终将会取得大的突破。

对超导技术课的看法：

一超导技术作为现代科技的前沿领域以及热门领域，有着广阔的发展空间及其应用前景，开设这门课程有利于开拓学生的眼界，让学生对现代超导技术及其相关技术有一定的了解。可以加深学生对超导技术的认识，激发学生对此的兴趣。说不定能成为其日后发展的方向，让更多的人关注超导的发展，积极投身到超导的研究中。

二课程以ppt，视屏对超导技术的发展历史，其独特性质以及我国现阶段超导技术研究所处的水平做了比较全面的介绍，比较容易理解，可以作为粗略了解超导技术的很好途径，课堂上所讲的超导技术的特性都与其相应的背景相联系显得生动，映像较深。

三不得不提的一点是这门课对超导技术的应用还仅仅停留在介绍方面，由于没有与超导技术相关实物相联系是的有些同学感到些许失望，若能在实验室见一见超导技术的研究，或者是看一看超导技术的应用成果。我想其效果可能更好，更能让学生对超导技术产生深刻的映像。

四、希望老师能请一些超导技术及其相关领域的学者或研究人员以讲座的形式授一堂课讲一些科学工作者对此的看法，并回答现场提问。这样形式更多样一些。

星期三晚课

罗达明

学号：2010301510028