超导技术及其应用前景

课程名称：现代科技导论 主讲教师：黄志新

姓名：范金铭 学号：2010210954 成绩：

超导技术及其应用前景

摘要：技术是人类为了满足社会的需要, 应用科学知识, 改造、保护和利用大自然, 创造宜人生存的人工自然环境的方法、技能和工具、手段的总和, 是人工自然物及创造过程的统一超导体作为一种新型的材料将使我们的社会在各个方面发生深刻的变化。1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。低温时，导体导电度急剧增加，即电阻值为零时，我们称之为超导状态。而处于超导状态的导体我们称之为超导体。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。为了实现超导材料的实用性，科学家们经过数十年的努力，跨越了超导材料的磁电障碍，开始了探索高温超导的历程。

关键词：超导 低耗损 现代科技

一：超导体技术

1：超导体技术的发展

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“麦斯纳效应”。

1950年 美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它电子形成了超导电流。接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。

1962年 年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，他提出在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据，使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

1987年，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。 1987年2月16日 美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。 1987年2月20日 中国也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日，日本宣布发现123K超导体。 1987年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， 1987年12月30 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

1991年10月 日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。 2001年5月，北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备，成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜，达到国际同类材料的先进水平

2001年7月，香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。

目前，我国超导临界温度已提高到零下120℃即153K左右 。

2：超导体的应用：

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：

①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。

70年代 超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进，时速可高达500千米。这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的。高温超导体发现以后，超导态可以在液氮温区(零下196度以上)出现，超导悬浮的装置更为简单， 成本也大为降低。我国的西南交通大学于1994年成功地研制了高温超导悬浮实验车。

核聚变反应堆“磁封闭体”。核聚变反应时，内部温度高达一亿到两亿摄氏度。没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“封闭磁体”将热核反应堆中的超高温等离子体包围，约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为二十一世纪前景广阔的新能源。

超导发电机：在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到五万到六万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发动机便是交流超导发动机。超导发动机的单机发电容量比常规发电机提高五到十倍，达一万兆瓦，而体积却减少二分之一，整机重量减轻三分之一，发电效率提高50%。

②利用材料的完全抗磁性擦陀螺仪和轴承。

③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一

超导技术在生物医学领域也有广泛的应用! 首先, 我们来看最近人们提出的关于治疗癌症的一种方法, 人们根据癌症病理提出一种设想, 就是如何将局部癌变组织的营养来源切断, 使癌细胞由于得不到营养而坏死, 最终达到根治癌症的目的! 为了达到这一目的, 我们可以生产出一种铁剂, 这种铁剂经科学方法加工处理对人体无害∀这一点在医学上已经变为现实, 把这种铁剂注入人体血液中, 然后可以在人体外用磁体诱导铁剂在人体血液中流动！最理想的方法是用超导磁体作为工具, 因为超导磁体中无热产生, 同时可以通过控制电流的方法控制磁场的大小！ 超导磁体的磁场远大于普通磁体的磁场, 同时导线中临界电流大, 要产生某一特定的磁场, 磁体可做得很小, 这样有利于操作, 有利于超导磁体在人体表面自由移动！这样在超导磁体的作用下, 血液中的铁剂可在血液中自由流动, 在超导磁体作用下流向肿瘤、癌变部位, 阻塞其周围的血管,

使肿瘤组织坏死, 使癌变部位缩小乃至消失！这样做既能起到治疗作用又不开刀和插管,使病人免去许多病痛！另外也可以用药包在铁剂外, 在超导磁体的诱导下这种铁剂到达病变部位, 从而使药物直接作用于病变部位, 取得最佳疗效!

④、超导技术在军事 上的可能应用

就超导技术的应用而言,军事应用将会得到更大重视,因而军用超导技术的发展具有更大的推动力。但是高温超导材料要达到实用化水平还必须克服三方面的障碍,即具有稳定的临界温度、达到实用化要求的临界电流密度和制成需要的形状(线材、薄膜或其它可延展的形状)。只有工艺技术问题获得解决,各种超导器件和超导装置才有可能研制成功并广泛应用。以下让我们考查一下超导技术在军事上的一些可能应用: 1.超导探测器 基于约瑟夫逊效应的超导检测器具有很高的灵敏度,超导辐射计可探测3一5‘10”’瓦/赫令的辐射信号,相应最小可分辨温差为0.00 73K。超导辐射探测器具有非常宽的响应波段,它可探测0.2一1000微米的电磁辐射,还可探测微波、毫米波和亚毫米波。日本电信电话公司茨城电气通讯研究所研制成功的Bapb一xBi、o:红外探测器,在1一8微米波段内,响应率达104伏/瓦,探测率D.为0.3‘10曰厘米·赫关·瓦一,。不久前中国科学院电子所和物理所合作,用Y一Ba一Cu一O超导薄膜制作

今天世界各国已开始研制超导电磁推进系统,该系统能产生很大的推力而又比常规动力系统节省能源, 它可应用在潜艇上! 常规潜艇有其不可克服的缺点,

例如潜艇航行时, 由于推进器中螺旋桨等转动部分发出噪音, 容易被敌方发现目标, 采用超导电磁推进系统, 是减小潜艇低频杂音的有效措施! 超导电磁推进系统是在潜艇内装置一个超导磁体, 它在海水中产生很强的磁场, 在艇体两侧安装一对电极, 使两极间的海水中产生很强的电流! 由于磁场和海水中的电流互相作用, 海水对艇体产生强大的推力!该系统具有速度快、推进效率高、结构简单、易于维修和噪声小等优点! 且消耗能量是常规船舶推进器的一半, 从而可以获得高航速、低消耗的舰艇。超导磁体系统用于火车的动力系统可产生出超导列车, 这种列车具有低噪声、高速度、低消耗的特点, 其原理是( 在列车上装有超导磁体系统,列车一旦运行时, 下面的铁轨在磁体的交变磁场作用下产生涡流, 这种涡流产生的磁场与列车上超导磁体的磁场相互作用, 产生相斥作用力,

可托起列车, 当列车被托起后, 它的运行阻力将大大减少, 这样它的运行速度是普通列车无法比拟的, 同时它的能耗也大大减少! 现在虽然一些技术还不成熟, 可以预计下个世纪, 超导列车将逐渐取代普通列车高灵敏红外探测器所进行的原理性实验获得成功,其灵敏度达5 x10一,瓦磁流体发电机 磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电机发电，是利用高温导电性气体

超导技术是21世纪具有战略意义的高新技术，它们的应用所需要有的需相当长的时间的时间是待定的, 还要人们的艰苦工作！有些理论还需要从理论上、实践上给予验证, 对于实际应用需更加不懈的努力工作才能变为现实!

参考文献：1、王蕾，现代物理学及应用 ，中国科学技术出版社；

2、信赢， 超导电力技术及其发展前景[J]， 国际电力；

3、周午纵、梁维耀，高温超导基础研究，上海科学出版社；

4、金建勋，高温超导及其应用技术，冶金工业出版社；

5、何预生，超导体，北京出版社。