超导现象介绍及应用精选文档.ppt

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1、超导现象介绍及应用本讲稿第一页，共二十五页超导介绍超导介绍超导现象的发现超导的特性超导材料超导技术的应用未来超导技术的发展本讲稿第二页，共二十五页 1908年，荷兰物理学家昂尼斯首次成功地把称为“永久气体”的氮液化，因而获得4.2K 的低温源，为超导准备了条件，三年后即1911年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，他又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密测量表明，汞柱两端压强降为零，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”。昂尼斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。超导的发现超导的发现本讲稿

2、第三页，共二十五页迈斯纳效应迈斯纳效应 迈斯纳效应又叫完全抗磁性，迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒全部被排出体外，磁感应强度恒为零，超导体就把全部磁通量排为零，超导体就把全部磁通量排出体外。出体外。NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态超导特性本讲稿第四页，共二十五页观察迈纳斯效应的磁悬浮试观察迈纳斯效应的磁悬浮试验验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升

3、的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动就悬浮不动了。了。本讲稿第五页，共二十五页 逐渐增大磁场到达一定值后，逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁把破坏超导电

4、性所需的最小磁场称为临界磁场，记为场称为临界磁场，记为Hc。有经验公式：有经验公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常态正常态HHc(0)TcT临界磁场临界磁场超导态超导态本讲稿第六页，共二十五页把一块磁铁放在超导盘上，由于超导盘把磁感应线排斥出去，超导盘跟磁铁之间有排斥力，结果磁铁悬浮在超导盘的上 面本讲稿第七页，共二十五页临界电流临界电流 超导体无阻载流的能力也超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记相变的电流称为临

5、界电流，记为为Ic。目前，常用电场描述。目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度，即当每厘米样品长度上出现电压为上出现电压为1 V时所输送的时所输送的电流。电流。Ic(V)IV失超本讲稿第八页，共二十五页超导材料超导材料 1986年年8月，月，IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电阻的温度下电阻接近于接近于0，一下子把超导温度提高了，一下子把超导温度提高了12度；度；1986年年12月，月，米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷超导体米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新

6、型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属此前超导体都是金属)，这种超导体把超导性的临界温度，这种超导体把超导性的临界温度又提高到了又提高到了38K；1987年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超导茂琨发现了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超导记录提高到了记录提高到了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却，而丰富的液氮来冷却，本讲稿第九页，共二十五页 1998年年7月，北京有研总院与其他单位共同研制成月，北京有研总院与其他单位共同研制成功中国第一根一米长一千安培铋

7、系高温超导直流输电功中国第一根一米长一千安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长一百一十六技进展。此次研制成功的高温超导带材长一百一十六米，宽三点六毫米，厚为零点二八毫米，以螺旋管方米，宽三点六毫米，厚为零点二八毫米，以螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，式缠绕，用四引线法全长度测量，77液氮温度（零液氮温度（零下一百六十九摄氏度）自场下临界电流达十二点七安下一百六十九摄氏度）自场下临界电流达十二点七安培，各项技术指标均达到国内领先水平。培，各项技术指标均达到国内领先水平。德国德国

8、Augsburg大学的科研人员近日宣布，其经过大学的科研人员近日宣布，其经过研究发明了一种新型的超导电材料，该超导电体具有研究发明了一种新型的超导电材料，该超导电体具有强大的电力传输能力，如果其得以广泛应用的话，将强大的电力传输能力，如果其得以广泛应用的话，将大大降低电力输送线路的生产成本。这次他们研制的大大降低电力输送线路的生产成本。这次他们研制的超导电材料，其实是利用现有的超导电材料制成，其超导电材料，其实是利用现有的超导电材料制成，其工作性能良好，并且对生产工艺要求不高。工作性能良好，并且对生产工艺要求不高。本讲稿第十页，共二十五页超导的应用超导的应用 下个世纪初高温超导材料在电力方面的

9、应用将获得突破性的进展，在下个世纪初高温超导材料在电力方面的应用将获得突破性的进展，在输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都将有超导应用的身影。液氮高输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都将有超导应用的身影。液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求，能够更容易实现，对电力应用来温超导材料以其相对比较高的温度要求，能够更容易实现，对电力应用来说，其推动较为明显。若把超导磁体运用到发电机、电动机上就可以较好说，其推动较为明显。若把超导磁体运用到发电机、电动机上就可以较好地解决人类与日俱增的用电需求。目前发电机单机功率可达地解决人类与日俱增的用电需求。目前发电机单机功率可达100万万 kW/H，到到

10、21世纪初需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密世纪初需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可分别提度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可分别提高许多倍。因此，在下一个世纪的电机中，电磁铁将逐步被超导磁体取代。高许多倍。因此，在下一个世纪的电机中，电磁铁将逐步被超导磁体取代。在电力设备领域中，采用超导材料技术，发达国家及我国都已有几十年在电力设备领域中，采用超导材料技术，发达国家及我国都已有几十年的奋斗历史，这是因为利用这种材料有利于设备的小型化、轻量化及高效化；的奋斗历史，这是

11、因为利用这种材料有利于设备的小型化、轻量化及高效化；抑制由于电力系统容量增大而增加的短路电流；解决因大电网而引起的系统抑制由于电力系统容量增大而增加的短路电流；解决因大电网而引起的系统不稳定问题以及高密度不稳定问题以及高密度、高可靠性的输电问题；对付峰值负载和降低价格等。、高可靠性的输电问题；对付峰值负载和降低价格等。本讲稿第十一页，共二十五页 在磁场中生长单晶炉是在磁场中生长单晶炉是80年代发展起来的一项新技术，目前广泛应年代发展起来的一项新技术，目前广泛应用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生长炉采用用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生长炉采用超导磁体有许多优

12、点，如线圈体积小、重量轻、耗电小；可以根据要超导磁体有许多优点，如线圈体积小、重量轻、耗电小；可以根据要求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。目前已有采用超求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。目前已有采用超导磁体的磁拉单晶生长炉出售，如英国牛津公司、日本三菱电气公司、导磁体的磁拉单晶生长炉出售，如英国牛津公司、日本三菱电气公司、德国德国Interatom公司等。公司等。超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的日益成熟，超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的有朝一日海军潜艇

13、的设计会发生根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增多的超导潜艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加一倍；航速将会提高。而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损加一倍；航速将会提高。而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇将采用电力推进失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用封闭式循环的热气机动力，从而结束常规潜艇系统，常规潜艇将有可能采用封闭式循环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池

14、提供能量的时代。目前，法国海军正在研制一种全水下航行单纯依赖蓄电池提供能量的时代。目前，法国海军正在研制一种全动力潜艇，即是一种隐蔽性能强、效率高、节能的电动舰艇，预计将于动力潜艇，即是一种隐蔽性能强、效率高、节能的电动舰艇，预计将于10年年后问世。后问世。本讲稿第十二页，共二十五页本讲稿第十三页，共二十五页本讲稿第十四页，共二十五页本讲稿第十五页，共二十五页本讲稿第十六页，共二十五页本讲稿第十七页，共二十五页超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装

15、在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。本讲稿第十八页，共二十五页本讲稿第十九页，共二十五页本讲稿第二十页，共二十五页本讲稿第二十一页，共二十五页中国高温超导滤波器 由清华大学研制成功的我国第一台移动通信用高温超导滤波器系统，已在商业运行中的移动通信基站上通信试验成功并投入实际使用。将高温超导滤波器系统应用于移动通信基站，可以显著增

16、强基站的抗干扰能力，扩大基站的覆盖范围，增加基站容量，提高通话质量，降低手机发射功率，减小对人体健康的不良影响。本讲稿第二十二页，共二十五页未来超导材料的发展未来超导材料的发展 目前，第一代超导线材目前，第一代超导线材铋氧化物线材已达到商业化水平。东京电力铋氧化物线材已达到商业化水平。东京电力公司试制成功长公司试制成功长100米、米、3相、相、66千伏的超导电缆，美国不久也将进行千伏的超导电缆，美国不久也将进行100米米超导电缆的安装试验。日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变超导电缆的安装试验。日本正在加紧研究开发高性能的超导电缆、超导变压器、超导限流器和超导蓄电装置等，预计压器、超导

17、限流器和超导蓄电装置等，预计5年后达到目标。日本磁悬浮列年后达到目标。日本磁悬浮列车线圈的超导化目前也在计划当中，预计将从明年开始进行研究和试制。车线圈的超导化目前也在计划当中，预计将从明年开始进行研究和试制。目前各国都在积极研究开发第二代超导线材目前各国都在积极研究开发第二代超导线材钇系列线材。其中，包含钇系列线材。其中，包含钇的钇的YBCO(钇铋铜氧钇铋铜氧)和包含钕的和包含钕的NBCO(钕铋铜氧钕铋铜氧)这两种线材，由于有更好的这两种线材，由于有更好的磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。磁场特性，将来有可能成为超导线材的主流。日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，日本和美国都在积

18、极研究开发新一代超导线材，2005年前后将会开发成功，年前后将会开发成功，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微极其微本讲稿第二十三页，共二十五页弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；

19、后者具有运算弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件,但关键是要但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。大幅度提高这种元件的集成度。C60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使点使C60超导体更有望实用化。超导体更有望实用化。C60被誉为被誉为2

20、1世纪新材料的世纪新材料的”明星明星”，这种材，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。合成如能实现，还可能成为室温超导体。本讲稿第二十四页，共二十五页第六种物质形态诞生 有助开发下一代超导体 科学家表示，在继气体、固体、液体、等离子体以及1995年创造出的玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC,Bose-Einstein Condensate)之后，科学家创造出世界上第六种物质形态：费密冷凝物。专家预测，这种崭新的物质形态的出现有助于下一代超导体的诞生。下一代超导体技术料可在发电、磁浮列车和众多其它领域大显身手。这种物质不是超导体，但却处在两种物质形态之间，它可以帮助科学界将这两种有趣的性质连结起来。”第六种物质形态本讲稿第二十五页，共二十五页