超导材料

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超导材料(Superconducting Material)

目录

什么是超导材料[1]

  超导材料是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料,其在智能电网,城市电力扩容等方面具有广阔的应用前景。

超导材料的特性[2]

  低温技术的发展是超导现象得以发现的基础。1895年,实现了空气的液化,同年在大气中发现了氦气;1898年,杜瓦将氢气变成了液体氢;1908年,荷兰物理学家昂内斯成功液化了氦气,并测定了在标准大气压下的沸点(4.25K),为超导材料的发现奠定了基础。1911年,昂内斯在4.25 K的低温下,发现水银的电阻突变为零。1913年9月在华盛顿召开的第三届国际制冷会议上,昂内斯正式提出了“超导态” 概念。超导材料具有几个基本特性:

  (1)零电阻性

  在到达某一临界温度时,材料的电阻突然降为零,这种状态下的材料称为超导材料。在闭合的超导线圈中引入电流后,电流可持续流通而无衰减。若将超导技术应用于输电,可显著降低电力传输过程中的损耗。

  (2)迈斯纳效应(抗磁性)

  当材料处于超导态时,会把内部的磁感线排出,使内部的磁感应强度为零,即为抗磁性。进一步研究表明,超导材料表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流,这一电流产生的磁场,恰巧抵消了超导体内部的磁场,使得超导体内部磁感应强度为零。利用超导材料的抗磁性,可开发安静、快速的交通工具。

  (3)约瑟夫森效应(宏观量子效应)

  用一薄绝缘层将两块超导材料隔开,当有直流电流I通过且I<临界电流Ic时,材料结合处不产生电压;当I>Ic时,结合处产生电压,这种现象称为约瑟夫森效应,两块超导材料与中间绝缘层的组合称为约瑟夫森结或超导隧道结。约瑟夫森效应是超导电子学的基础,可应用于弱电信号检测领域。

超导材料的应用[3]

强电应用

  1.超导输电

  美国物理学家波恩特·特奥·马梯阿斯指出:“电能的输送是超导体最重要的应用之一。”发电站输出电能常用铝线和铜线。由于电阻的存在一部分电力在输出过程中转变为热能而消失,存在着严重的损耗。而利用超导材料输电,由于导线电阻消失,线路损耗也就降为零,用超导材料可制高效率大容量的动力电缆,并且可减少导体的需求量,节约大量有色金属资源。目前,高温超导体(HTS)电力电缆的应用研究发展较快,极有可能首先广泛运用于电力系统中。2000年美国已在底特律市的变电站使用第一条大容量HTS输电电缆。我国第一根HTS电缆模型已于1998年底在中科院研制成功。

  2.超导储能

  人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内,也不均匀。利用超导体,可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度,可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来,在用电高峰时释放出来,解决用电不平衡的矛盾。美国已设计出一种大型超导储能系统,可储存5000兆瓦小时的巨大电能,充放电功率为1000兆瓦,转换时间为几分之一秒,效率达98%,它可直接与电力网相连接,根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出,不必经过能量转换过程。

  3.变压器

  发展超导变压器,可提高电力变压器的性能。从经济上看,超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗,高电流密度可以提高电力系统的效率,采用超导变压器将会大大节约能源,减少其运作费用;从绝缘运行寿命上看,超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温下,不存在绝缘老化问题,即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命;从对电力系统的贡献来看,正常工作时超导变压器的内限很低,增大了电压调节范围,有利于提高电力系统的性能;从环保角度看,超导变压器采用液氮进行冷却,取代了常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷,降低了噪声,避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄露造成的环境污染。

  4.超导电机

  在大型发电机或电动机中,一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下,超导体的电流密度超过铜的电流密度,这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下,电机重量可以大大下降。小型、轻量、输出功率高、损耗小等超导电机的优点,不仅对于大规模电力工程是重要的,而且对于航海、航空的各种船舶、飞机特别理想。美国率先制成3000马力的超导电机,我国科学家在20世纪80年代末已经制成了超导发电机的模型实验机。

  5.超导故障限流器

  由于电力系统容量的逐年增长,导致电路短路功率及故障短路电流的迅速增大。装备短路限流器就能有效地限制短路电流,降低对电网内电器的要求。用超导材料制成的限流器有许多优点:(1)它的动作时间快,大约几十微妙;(2)减少故障电流,可将故障电流限制在系统额定电流2倍左右,比常规断路器开断电流小一个数量级:(3)它有低的额定损耗;(4)集检测、转换、限制于一身,可靠性高,它是一类“永久的超保险丝”;(5)结构简单,体积小,价格便宜。

  6.在核能开发中的应用

  若想利用热核反应来发电,首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁体能量极高,结构复杂,电磁和机械应力巨大,常规磁体无法承担这一任务。只有通过超导磁体产生强大的磁场,将高温等离子体约束住,并且达到一个所要求的密度,这样才可以实现受控热核反应。

  7.超导悬浮列车

  由于超导体具有完全抗磁性,在车厢底部装备的超导线圈,路轨上沿途安放金属环,就构成悬浮列车。当列车启动时,由于金属环切割磁力线,将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理,列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点:由于它是悬浮于轨道上行驶,导轨与机车间不存在任何实际接触,没有摩擦,时速可达几百公里;磁悬浮列车可靠性大,维修简便,成本低,能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一;噪声小,时速达300公里/小时,噪声只有65分贝;以电为动力,沿线不排放废气,无污染,是一种绿色的交通工具。

  8.磁悬浮轴承

  高速转动的部位,由于受轴承摩擦的限制,转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成无摩擦悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于它无接触,因而避免了机械磨损,降低了能耗,减小了噪声,进而具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。磁悬浮轴承可适用于高速离心机、飞轮储能、航空陀螺仪等高速旋转系统。

  9.电子束磁透镜

  在通常的电子显微镜中,磁透镜的线圈是用铜导线制成的,场强不大,磁场梯度也不高,且时间稳定性较差,使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后,以上缺点得到了克服。目前超导电子显微镜的分辨已达到3埃,可以直接观察晶格结构和遗传物质的结构,已成为科学和生产部门强有力的工具。

弱电应用

  1.无损检测

  无损检测是一种应用范围很广的探测技术,其工作方式有;超声探测、X光探测及涡流检测技术等。SQUID无损检测技术在此基础上发展起来。SQUID磁强计的磁场灵敏度已优于100ft,完全可以用于无损检测。由于SQUID能在大的均匀场中探测到场的微小变化,增加了探测的深度,提高了分辨率,能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定,这是其他探测手段所无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等,军事上可能于水雷和水下潜艇等的探测。

  2.超导微波器件在移动通信中的应用

  移动通信业蓬勃发展的同时,也带来了严重的信号干扰,频率资源紧张,系统容量不足,数据传输速率受限制等诸多难题。高温超导移动通信子系统在这一背景下应运而生,它由高温超导滤波器、低噪声前置放大器以及微型制冷机组成。高温超导子系统给移动通信系统带来的好处可以归纳为以下几个方面:(1)提高了基站接收机的抗干扰的能力;(2)可以充分利用频率资源,扩大基站能量;(3)减少了输入信号的损耗,提高了基站系统的灵敏度,从而扩大了基站的覆盖面积;(4)改善通话质量,提高数据传输速度;(5)超导基站子系统带来了绿色的通信网络。

  3.超导探测器

  用超导体检测红外辐射,已设计制造了各种样式的高TC超导红外探测器。与传统的半导体探测比较,高TC超导探测器在大于20微米的长波探测中将为优良的接受器件,填充了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外,它还具高集成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛应用。

  4.超导计算机

  超导器件在计算机中运用,将具有许多明显的优点:(1)器件的开关速度比现存半导体器件快2~3个数量级,比普通半导体Si集成电路,要快一千倍左右;(2)很低的功率。只有半导体器件的千分之一左右,散热问题很易解决;(3)输出电压在毫伏数量级,而输出电流大于控制线内的电流,具有一定增益,信号检测方便。同时,体积更小,成本更低;另外,因超导抗磁效应,电路布线干扰完全消除,信号准确无畸变。当然,超导材料的用途还有很多,它的优点也十分突出,但是它必须工作在比TC低的温度,目前TC为look,这无疑限制了它的应用。随着高温超导材料的开发成功,必将引起能源、交通、工业、医疗、生物、电子和军事等领域的重大变革。

参考文献

  1. 新材料先行 超导产业化进程加快.人民网,2011年9月6日
  2. 王醒东.超导材料的特性及应用[J].广州化工,2013(12)
  3. 窦华.超导材料的应用[J].内蒙古电大学刊,2004(2)
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