超导体的应用

超导体的应用

自从荷兰科学家海伊克•凯米林•昂纳斯于1911年首次发现超导现象以来，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。超导体主要有两个基本特性，即：①零电阻性或完全导电性；②完全抗磁性。因此，它在科研、生产的各个领域都有着广泛的应用。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。

1．超导发电

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。

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6X106瓦的电动机，常规质量为370X103千克，采用超导体材料仅重40X103千克；又如目前已建成的一台5X106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控制剧烈的热核反应，超导材料将能够解决这个问题。

2．超导输电

目前输电均采取高压交流输电，损耗较大，降低了有效的电能．利用超导体的零电阻这个特性，可以制成超导电缆，无损耗地输电，不但输电效率高而且可以节约材料，避免铺设高架电缆，降低输电成本。这种超导电缆能传输几十万兆瓦的功率，它还能在较低的电压下，传输强大的电流。如一条三相超导电缆能在35干伏电压下，传输104安培的电流。美国曾制成一种锡铌超导电缆，把三根直径为14厘米的345千伏超导电缆装置在直径为45厘米的高绝热导管中，就可输送像整个纽约这样大城市的全部用电。

3. 超导贮能

为了利用电力负荷的峰值和低值的差，解决高峰期用电的紧张状态，现在越来越多的地方应用蓄能的方法来调节电力负荷。用超导材料制成的贮能线圈，能以磁能的形式将电能大量贮存起来，并具有密度大、损耗小的特点。

4．超导电磁推进

超导电磁推进的装置是在船体内安装一个超导磁体，它会在海水中产生一个强大的磁场。同时，在船体两侧安装一对强大的电极，使海水在两极间产生很大的电流。由于磁场和海水中电流的相互作用，海水在船后对船体产生一个强大的推力。这时海水和电极相当于转于和电枢，利用与电机相同的原理就可推动船体前进。

世界上第一艘“超导船”于1992年1月27日在日本神户下水，它以超导电磁为动力，其外型看起来像是鲸鱼与太空火箭的混合体，长30米，理论最高时速可达每小时200公里左右。

5. 超导磁场净化

有人曾设想用超导强磁场除去水中的重金属、悬浮物和某些微生物，从而使被污染的河流和湖泊得到净化。为了使瓷器更洁白漂亮，也可用超导体制成高梯度强磁场除去高岭上土中的金属磁性杂质。

6．超导磁悬浮列车

磁悬浮列车从原理上讲可分为两种：一种是超导感应推斥式（电动型）磁悬浮（简称EDS），它是利用装载在列车上的超导磁体和地面上导体中的感应电流之间的推斥力使列车悬浮起来的方式；另一种是电磁吸引式（电磁型）磁悬浮（简称EMS），其原理可参考《中学物理教学参考》1994年第11期第47页。

超导磁悬浮列车是人们根据超导体的完全抗磁性设计出的一种高速列车，最初是在1968年由美国人伯维尔和当比首先提出的，1970年试制了超导磁悬浮基础实验装置，1971年3月确认了实验与理论的一致性，使开发前进了一大步。

1972年世界上第一台超导感应推斥式（电动型）磁悬浮列车ML100在日本研制成功，所用的超导材料是铌锡合金。这种列车每一节车厢下面的车轮旁，都装有小型的超导磁体，在轨道的两旁，有一系列闭合的铝环，整个列车由埋在地下的直线型同步马达驱动，当列车向前行驶时，超导磁体则在轨道面产生强大的磁场，并和轨道旁的铝环相对运动，在铝环内感生出强大的电流。由于超导磁体和铝环的相互排斥作用，就产生一种向上的浮力把列车凌空托起，消除了车轮与钢轨的摩擦阻力。另外速度愈大排斥力就愈大，当速度超过一定值（80千米／小时）时，列车就脱离路轨表面，最大距离可达数厘米以上，其悬浮是自稳定的，无须加任何主动控制。由于采用大气隙悬浮，即使车体稍许不平衡，或车体与轨道少许对不准，或轨道上有冰雪之类杂物，均不影响列车运行的安全性，在低速行驶时，要靠辅助车轮支撑。一列乘载百人的磁悬浮列车，只要75千瓦的功率，就能使行驶速度达到每小时50O公里以上。

与普通列车相比，磁悬浮列车具有以下优点：①速度快。磁悬浮列车的速度只受限于空气阻力，比普通列车受限于轮轨间的摩擦力小得多，是陆上最快的交通工具，日本的ML500曾创下了时速571千米的陆面交通工具的世界最高纪录。②乘坐平稳舒适，噪音低。③占地面积小。④能耗低，安全可靠，被认为是一种很有前途的交通工具。

目前世界上开发磁悬浮列车的国家主要有德国日本、美国等。其中，德国在EMS型磁悬浮列车技术上占有优势，计划在2001年正式开通汉堡至柏林的EMS型磁悬浮列车。日本则在EDS型磁悬浮列车上不断取得了举世瞩目的进展，可望成为日本21世纪新一代的高速铁路的运输工具。

我国于1995年5月继德国、日本、英国、前苏联、韩国之后，成为第六个研制成功EMs型磁悬浮列车的国家。这种列车被誉为21世纪的新型交通工具、国防科技大学研制成功的这台单向架磁悬浮列车，长3．36米，宽3米，轨距2米，车上安装了4组8只悬浮、导向电磁铁，由4套控制系统进行控制，静止时起浮质量为6吨，起浮间隙20毫米，运行间隙10毫米，可乘坐2O多人，列车的理论设计时速可高达500多公里。

用上述同样的原理，也可以用于超导无摩擦轴承上，目前制作的超导轴承，浮力已达每平方厘米300克；另外利用超导体的完全抗磁性，可用于在载人宇宙飞船上屏蔽高能宇宙射线的袭击。超导磁屏蔽也可用在超导电子显微镜中，使电子按所要求的轨道飞行。

7. 超导陀螺仪

陀螺仪是一种重要的导航定位仪表，各种航天飞行器，包括飞船、导弹等都需陀螺仪来导航。由于一般陀螺仪均有接触摩擦，无法达到更高精度。超导陀螺仪解决了这一问题。

8. 超导电子器件

超导体另一个富有潜力的应用领域属于弱电应用方面。如利用超导隧道效应可制成各种电子器件和电路。特别是在精密测量、电压标准监视、微波和远红外应用以及超导电子计算机的逻辑存贮电路方面，超导器件将产生巨大的影响。

目前在电子学技术中，中频放大的灵敏度比高频放大的灵敏度高，所以，将高频讯号与本机振荡讯号进行混频，得到中频讯号后再进行放大。利用超导的高频讯号特性可作为微波通讯中的混频器件。

又如，超导体晶体管比普通晶体管的工作速度快1000倍，能耗仅为普通晶体管的千分之一，因此在电子计算机中，正是由于超导电子器件的超灵敏度、超高精度、超快速和低功耗，不仅能使电子计算机运算速度比现在的速度提高几十倍，而且功耗大大降低，体积也大大减少。再如利用约瑟夫效应制成的超导量子干涉器件(简称SQUID)，是一种高灵敏度的传感器。用它制成的磁场计分辨率高达10-15特。可以测出人心脏或人脑中所发出的磁讯号。在军事上的价值也很大，可以探测出潜艇在海底时引起的地磁变化。