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  超导技术及其应用         ★★★ 【字体:
超导技术及其应用
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:1435    更新时间:2010-9-5    
  1911年,荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K时发现水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性。1933年,迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现,如果把超导体放在磁场中冷却,则在材料电阻消失的同时,磁感应线将从超导体中排出,不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。
 超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度,叫超导临界温度。经过科学家们数十年的努力,超导材料的磁电障碍已被跨越,下一个难关是突破温度障碍,即寻求高温超导材料。
  奇异的超导陶瓷
  1973年,人们发现了超导合金――铌锗合金,其临界超导温度为23.2K,该记录保持了13年。1986年,设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧-钡-铜-氧)具有35K的高温超导性,打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念,引起世界科学界的轰动。此后,科学家们争分夺秒地攻关,几乎每隔几天,就有新的研究成果出现。
  1986年底,美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料,其临界超导温度达到40K,液氢的“温度壁垒”(40K)被跨越。1987年2月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破了。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度竟然提高了100K以上,这在材料发展史,乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹!高温超导材料的不断问世,为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。
  超群的超导磁体
  超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体,要产生这么大的磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水,投资巨大。
  超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。
  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5万~6万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5~10倍,达1万兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3,发电效率提高50%。
  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。磁流体发电发电,是利用高温导电性气体(等离子体)作导体,并高速通过磁场强度为5万~6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单,用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。
  超导输电线路 
  超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器,从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计,目前的铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国,每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。
  广阔的超导应用
  高温超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
  超导磁悬浮列车 
  利用超导材料的抗磁性,将超导材料放在一块永久磁体的上方,由于磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。
  超导计算机 
  高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会发生大量的热,而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路,其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作,不存在散热问题,同时计算机的运算速度大大提高。此外,科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管,甚至完全用超导体来制作晶体管。
  核聚变反应堆“磁封闭体” 
  核聚变反应时,内部温度高达1亿~2亿℃,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“磁封闭体”,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21世纪前景广阔的新能源。

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