超导及超导材料的应用

超导及超导材料的应用 班级:化学0801 学号:08230101 姓名:王东富 超导及超导材料的应用 摘要:超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开。但人们相信，随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词:超导，超导材料，临界温度 超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开;而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应用;高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将很快会感受到它给社会带来的巨大变革。 1.超导材料的研究进展 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853,1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4(2K提高到铌三锗的23(22K，才提高了19K。 1 班级:化学0801 学号:08230101 姓名:王东富 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K;紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K;12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40(2K。 1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48(6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日，日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14?温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1,100。液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。[1] 2超导材料的主要特性 2(1 零电阻效应 超导体开始失去电阻的温度称为超导临界温度(T)。实验，不同的物c 质具有不同的临界超导温度，但一般都比较接近绝对零度。科学家的任务就是要寻找具有较高临界温度的超导材料，以实现在较高温度下无电流损失的电力输送。1913年昂纳斯曾推断，既然超导体没有电阻，当电流通过时就不会发热，应该能输出强大的电流。但出乎他的意料，超导线中的电流超过某一临界值时，超导体便从超导态转变为正常态而失去了超导性。人们称超导态开始被破坏时的 2 班级:化学0801 学号:08230101 姓名:王东富 电流值为临界电流(I)。实验表明，超导态也可以被外磁场所破坏。当外加磁c 场大于某一临界值时，超导态会突然被破坏而转变成正常态。人们把破坏超导态的最高外加磁场强度称为临界磁场(H)。超导体通入电流以后，电流本身也将c 产生磁场，当该电流达到临界电流、在超导体表面产生的磁场强度等于临界磁场时，电流自身产生的磁场便破坏了超导态。 2(2 迈斯纳效应 在1933年以前，人们普遍认为电阻为零是超导体唯一的基本性质，但后来发现，只具有零电阻现象是不够的。要判断材料是否处于超导态，还必须验证其是否具有完全抗磁性。1933年，德国的迈斯纳(W(Meissner)和奥森费耳德(R(Ochsenfeld)出色地完成了超导体磁性质的研究工作。他们通过一系列实验指出，当进入超导态后，超导体把磁力线完全排斥出体外，使它周围的磁力线分布也发生相应的变化，超导体内部的磁感应强度总保持为零。人们把这一重大发现称为“迈斯纳效应”。[2] 2 .3 同位素效应 超导体的临界温度T与其同位素质量M有关。M越大，T越低，这称为同位CC 素效应。论文参考。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的T是4.18开，C而原子量为203.4的汞同位素，T为4.146开。M与T有近似关系: CC ,常数 。[3] 2 .4 约瑟夫森效应 当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子(对)能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森(Josephson)效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。 当通以低于临界电流值I时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电0 流I>I时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具0 有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。 3 超导材料及应用 3 .1低温超导材料 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 3 班级:化学0801 学号:08230101 姓名:王东富 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。低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等;NbSn超导材料除用于制作大量小3 型高磁场(710T)磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体;用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制 3.2 高温超导材料 自超导性被发现以后的几十年间，超导转变温度始终没有冲出液氦区，这给工业上的应用蒙上了一层阴影。高温超导材料的出现给超导性的应用带来了新的希望，人们对高温超导体在工业和科学上的应用寄予了厚望，并普遍认为不久的将来高温超导体就会成为新的技术革命的主角，为推动社会经济生产的发展作出重大的贡献。虽然超导材料的应用目前还要克服许多困难，但科学家们仍然相信它在工业上的大规模应用已经为期不远了。持乐观态度的人们预计，超导产业将会创造8000亿美元的巨大市场，这将使人类的生活发生多么大的变化～ 第一，超导材料的应用将会在电力工业中引起一场革命。通常在电力输送过程中，送电、变电、配电等每一步骤都不可避免地存在着电阻，当电流通过导线时相当一部分电能转化成了热量而白白浪费掉了。为了减少能量损失，人们不得不在远距离电力输送过程中一再提高电压。一座座高压输电铁塔威武挺拔地耸立在江河平原、崇山峻岭，确实也给人间平添了几分壮丽的景色，但人类却为此付出了极为昂贵的代价，耗费了难以估计的人力和物力。于是大功率无电阻送电就成为人们神话般的梦想，而超导体的出现无疑使这种梦想有可能变为现实。可以利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备的情况下，将电直接送到千家万户，真是既安全又省钱，还大大提高了能量的利用率。超导发电机、电动机和其他大型电机不仅体积小、重量轻，而且还可以大大提高电流效率。世界上许多大公司对于多年的梦想即将变成现实十分着急，投入了大量的人力和物力，努力开发超导材料在电力工业中的应用。 4 班级:化学0801 学号:08230101 姓名:王东富 第二，人们预计，高温超导将在能源工业上大有作为，超导贮能可以调节电网的负荷;超导体约束的等离子体可以引起核聚变以实现受控热核反应，为解决世界范围内的能源危机发挥重大作用。 第三，超导体在电子学领域里更是大有用武之地。高温超导体的出现使早已搁浅的超导计算机的研究重新起动;强超导磁体在核磁共振计算机断层诊断装置上的应用，可以使它的分辨率大大提高，能诊断出更早期的癌细胞，以造福于子孙万代;超导量子器件不但能探测出埋在地下的矿物，也能探查人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘;利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强计、超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域;利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命世界的奥秘。 第四，在交通运输业中，如何提高列车运行的速度一直是世界各国密切关注的重要问题。特别是随着社会的发展和交往的日益频繁，如何解决交通堵塞的问题就变得更迫切和重要。由于车轮和铁轨之间不可避免的摩擦力，骑在铁轨上的火车的运行速度很难大幅度提高。在世界吉尼斯大全中记载，法国从巴黎到里昂的列车运行的最高时速才为283千米。而磁悬浮列车由于铁轨与列车之间的磁力作用，使列车悬浮在铁轨的上方，消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，所以超导悬浮列车不仅可以轻而易举地把列车的时速提高到500千米以上，而且行进平稳，噪声小，所需牵引力小。因此高速超导悬浮列车的使用必将大大缓解当前交通拥挤的状况，引起铁路运输的重大变革。若在船底装上超导磁体，可以制成超导船。这种超导电磁推进船没有引擎和螺旋桨，故不产生噪音，没有振动，也没有转动部分，因而不需要复杂的维护。超导船的研制成功必将在航海交通运输上大显身手。 许多专家满怀信心地预计，高温超导体将和晶体管、激光一起成为现代三大高科技产业，在国民经济中发挥重大作用。它极有可能成为21世纪的科技明星。 4 结语 超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索它的结构，研究它的性 5 班级:化学0801 学号:08230101 姓名:王东富 能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发展，从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花，必将带来一个缤纷的世界。 [ 参 考 文 献] [1] 超导材料 . 超导材料研究历史.百科名片 [2] kimberye..超导材料研究的历史与进程.P1.bokee博客网 [3]超导及超导材料的应用(图文).免费论文参考网 [4]kimberye. 超导材料研究的历史与进展.P2.bokee博客网 6