超導材料

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超導材料(Superconducting Material)

目錄

什麼是超導材料[1]

  超導材料是指具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等於零以及排斥磁力線的性質的材料,其在智能電網,城市電力擴容等方面具有廣闊的應用前景。

超導材料的特性[2]

  低溫技術的發展是超導現象得以發現的基礎。1895年,實現了空氣的液化,同年在大氣中發現了氦氣;1898年,杜瓦將氫氣變成了液體氫;1908年,荷蘭物理學家昂內斯成功液化了氦氣,並測定了在標準大氣壓下的沸點(4.25K),為超導材料的發現奠定了基礎。1911年,昂內斯在4.25 K的低溫下,發現水銀的電阻突變為零。1913年9月在華盛頓召開的第三屆國際製冷會議上,昂內斯正式提出了“超導態” 概念。超導材料具有幾個基本特性:

  (1)零電阻性

  在到達某一臨界溫度時,材料的電阻突然降為零,這種狀態下的材料稱為超導材料。在閉合的超導線圈中引入電流後,電流可持續流通而無衰減。若將超導技術應用於輸電,可顯著降低電力傳輸過程中的損耗。

  (2)邁斯納效應(抗磁性)

  當材料處於超導態時,會把內部的磁感線排出,使內部的磁感應強度為零,即為抗磁性。進一步研究表明,超導材料錶面能夠產生一個無損耗的抗磁超導電流,這一電流產生的磁場,恰巧抵消了超導體內部的磁場,使得超導體內部磁感應強度為零。利用超導材料的抗磁性,可開發安靜、快速的交通工具。

  (3)約瑟夫森效應(巨集觀量子效應)

  用一薄絕緣層將兩塊超導材料隔開,當有直流電流I通過且I<臨界電流Ic時,材料結合處不產生電壓;當I>Ic時,結合處產生電壓,這種現象稱為約瑟夫森效應,兩塊超導材料與中間絕緣層的組合稱為約瑟夫森結或超導隧道結。約瑟夫森效應是超導電子學的基礎,可應用於弱電信號檢測領域。

超導材料的應用[3]

強電應用

  1.超導輸電

  美國物理學家波恩特·特奧·馬梯阿斯指出:“電能的輸送是超導體最重要的應用之一。”發電站輸出電能常用鋁線和銅線。由於電阻的存在一部分電力在輸出過程中轉變為熱能而消失,存在著嚴重的損耗。而利用超導材料輸電,由於導線電阻消失,線路損耗也就降為零,用超導材料可制高效率大容量的動力電纜,並且可減少導體的需求量,節約大量有色金屬資源。目前,高溫超導體(HTS)電力電纜的應用研究發展較快,極有可能首先廣泛運用於電力系統中。2000年美國已在底特律市的變電站使用第一條大容量HTS輸電電纜。我國第一根HTS電纜模型已於1998年底在中科院研製成功。

  2.超導儲能

  人類對電力網總輸出功率的要求是不平衡的。即使一天之內,也不均勻。利用超導體,可製成高效儲能設備。由於超導體可以達到非常高的能量密度,可以無損耗貯存巨大的電能。這種裝置把輸電網路中用電低峰時多餘的電力儲存起來,在用電高峰時釋放出來,解決用電不平衡的矛盾。美國已設計出一種大型超導儲能系統,可儲存5000兆瓦小時的巨大電能,充放電功率為1000兆瓦,轉換時間為幾分之一秒,效率達98%,它可直接與電力網相連接,根據電力供應和用電負荷情況從線圈內輸出,不必經過能量轉換過程。

  3.變壓器

  發展超導變壓器,可提高電力變壓器的性能。從經濟上看,超導材料的低阻抗特性有利於減小變壓器的總損耗,高電流密度可以提高電力系統的效率,採用超導變壓器將會大大節約能源,減少其運作費用;從絕緣運行壽命上看,超導變壓器的繞組和固體絕緣材料都運行於深度低溫下,不存在絕緣老化問題,即使在兩倍於額定功率下運行也不會影響運行壽命;從對電力系統的貢獻來看,正常工作時超導變壓器的內限很低,增大了電壓調節範圍,有利於提高電力系統的性能;從環保角度看,超導變壓器採用液氮進行冷卻,取代了常規變壓器所用的強迫油迴圈冷卻或空冷,降低了雜訊,避免了變壓器可能引起的火災危險和由於泄露造成的環境污染。

  4.超導電機

  在大型發電機或電動機中,一旦由超導體取代銅材則可望實現電阻損耗極小的大功率傳輸。在高強度磁場下,超導體的電流密度超過銅的電流密度,這表明超導電機單機輸出功率可以大大增加。在同樣的電機輸出功率下,電機重量可以大大下降。小型、輕量、輸出功率高、損耗小等超導電機的優點,不僅對於大規模電力工程是重要的,而且對於航海、航空的各種船舶、飛機特別理想。美國率先製成3000馬力的超導電機,我國科學家在20世紀80年代末已經製成了超導發電機的模型實驗機。

  5.超導故障限流器

  由於電力系統容量的逐年增長,導致電路短路功率及故障短路電流的迅速增大。裝備短路限流器就能有效地限制短路電流,降低對電網內電器的要求。用超導材料製成的限流器有許多優點:(1)它的動作時間快,大約幾十微妙;(2)減少故障電流,可將故障電流限制在系統額定電流2倍左右,比常規斷路器開斷電流小一個數量級:(3)它有低的額定損耗;(4)集檢測、轉換、限制於一身,可靠性高,它是一類“永久的超保險絲”;(5)結構簡單,體積小,價格便宜。

  6.在核能開發中的應用

  若想利用熱核反應來發電,首先必須解決大體積、高強度的磁場問題。產生這樣磁場的磁體能量極高,結構複雜,電磁和機械應力巨大,常規磁體無法承擔這一任務。只有通過超導磁體產生強大的磁場,將高溫等離子體約束住,並且達到一個所要求的密度,這樣才可以實現受控熱核反應。

  7.超導懸浮列車

  由於超導體具有完全抗磁性,在車廂底部裝備的超導線圈,路軌上沿途安放金屬環,就構成懸浮列車。當列車啟動時,由於金屬環切割磁力線,將產生與超導磁場方向相反的感生磁場。根據同性相斥原理,列車受到向上推力而懸浮。超導懸浮列車具有許多的優點:由於它是懸浮於軌道上行駛,導軌與機車間不存在任何實際接觸,沒有摩擦,時速可達幾百公裡;磁懸浮列車可靠性大,維修簡便,成本低,能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一;雜訊小,時速達300公裡/小時,雜訊只有65分貝;以電為動力,沿線不排放廢氣,無污染,是一種綠色的交通工具。

  8.磁懸浮軸承

  高速轉動的部位,由於受軸承摩擦的限制,轉速無法進一步提高。利用超導體的完全抗磁性可製成無摩擦懸浮軸承。磁懸浮軸承是採用磁場力將轉軸懸浮。由於它無接觸,因而避免了機械磨損,降低了能耗,減小了雜訊,進而具有免維護、高轉速、高精度和動力學特性好的優點。磁懸浮軸承可適用於高速離心機、飛輪儲能、航空陀螺儀等高速旋轉系統。

  9.電子束磁透鏡

  在通常的電子顯微鏡中,磁透鏡的線圈是用銅導線製成的,場強不大,磁場梯度也不高,且時間穩定性較差,使得解析度難以進一步提高。運用超導磁透鏡後,以上缺點得到了剋服。目前超導電子顯微鏡的分辨已達到3埃,可以直接觀察晶格結構和遺傳物質的結構,已成為科學和生產部門強有力的工具。

弱電應用

  1.無損檢測

  無損檢測是一種應用範圍很廣的探測技術,其工作方式有;超聲探測、X光探測及渦流檢測技術等。SQUID無損檢測技術在此基礎上發展起來。SQUID磁強計的磁場靈敏度已優於100ft,完全可以用於無損檢測。由於SQUID能在大的均勻場中探測到場的微小變化,增加了探測的深度,提高了解析度,能對多層合金導體材料的內部缺陷和腐蝕進行探測和確定,這是其他探測手段所無法辦到的。工業上用於探測導體材料的缺陷、內部的腐蝕等,軍事上可能於水雷和水下潛艇等的探測。

  2.超導微波器件在移動通信中的應用

  移動通信業蓬勃發展的同時,也帶來了嚴重的信號干擾,頻率資源緊張,系統容量不足,數據傳輸速率受限制等諸多難題。高溫超導移動通信子系統在這一背景下應運而生,它由高溫超導濾波器、低雜訊前置放大器以及微型製冷機組成。高溫超導子系統給移動通信系統帶來的好處可以歸納為以下幾個方面:(1)提高了基站接收機的抗干擾的能力;(2)可以充分利用頻率資源,擴大基站能量;(3)減少了輸入信號的損耗,提高了基站系統的靈敏度,從而擴大了基站的覆蓋面積;(4)改善通話質量,提高數據傳輸速度;(5)超導基站子系統帶來了綠色的通信網路。

  3.超導探測器

  用超導體檢測紅外輻射,已設計製造了各種樣式的高TC超導紅外探測器。與傳統的半導體探測比較,高TC超導探測器在大於20微米的長波探測中將為優良的接受器件,填充了電磁波譜中遠紅外至毫來波段的空白。此外,它還具高集成密度、低功率、高成品率、低價格等優點。這一技術將在天文探測、光譜研究、遠紅外激光接收和軍事光學等領域有廣泛應用。

  4.超導電腦

  超導器件在電腦中運用,將具有許多明顯的優點:(1)器件的開關速度比現存半導體器件快2~3個數量級,比普通半導體Si集成電路,要快一千倍左右;(2)很低的功率。只有半導體器件的千分之一左右,散熱問題很易解決;(3)輸出電壓在毫伏數量級,而輸出電流大於控制線內的電流,具有一定增益,信號檢測方便。同時,體積更小,成本更低;另外,因超導抗磁效應,電路佈線干擾完全消除,信號準確無畸變。當然,超導材料的用途還有很多,它的優點也十分突出,但是它必須工作在比TC低的溫度,目前TC為look,這無疑限制了它的應用。隨著高溫超導材料的開發成功,必將引起能源、交通、工業、醫療、生物、電子和軍事等領域的重大變革。

參考文獻

  1. 新材料先行 超導產業化進程加快.人民網,2011年9月6日
  2. 王醒東.超導材料的特性及應用[J].廣州化工,2013(12)
  3. 竇華.超導材料的應用[J].內蒙古電大學刊,2004(2)
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