超导体研究,应用的历史和最新进展

超导体研究,应用的历史和最新进展
超导体研究,应用的历史和最新进展

超导体研究,应用的历史和最新进展
1,超导现象
随着低温技术的进步,为超导现象的发现提供了条件.1911年,荷兰科学家昂尼斯和他的助手在测量汞的低温电阻时发现:当温度降到-269 ℃左右时,汞的电阻突然消失,也就是电阻变为零,以后还发现某材料,当温度降到某一温度时,电阻也会变为零,这种现象叫超导现象.能够发生超导现象的物质叫超导体.通常把开始进入超导状态的温度称为转变温度或临界温度,用Tc表示,当物质的温度低于Tc时具有超导性,高于Tc时失去超导性.
2,超导进展
几十年来科学家一直期望有一天能够得到在室温下就能工作的超导材料,世界各国都掀起了研究新超导材料的高潮,直到1986年4月发现钡一镧氧化物制成的陶瓷材料具有35 K的转变温度,使超导体研究取得突破性进展,紧接着:
1986年12月23日日本宣布研制出37.5 K的超导材料;
1986年12月25号美国贝尔实验室获得40 K的超导材料;
1986年12月26号中国科学院获得48.6 K的超导材料;
1987年2月16号休斯顿大学美籍华人朱经武获得98 K的超导材料;
1987年2月14号中国物理学家赵忠贤获得110 K的超导材料;
1987年3月9号,日本宣布获得175 K的超导材料;
1987年3月,中国科技大学获得215 K的超导材料.
另一方面,自1987年4月开始,超导体研究的重心转向超导体机制的理论探索和应用技术的开发,1990年4月北京有色金属研究总院成功制成了2 T(特拉斯)强磁场下,临界电流密度2.38×104 A/cm2;7月上海冶金所采用熔融结构法制成钇钡铜氧块状超导材料,在77 K,2.5 T磁场下电流密度超过4×104 A/cm2,在世界处于领先地位;美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡铜单晶体,使临界电流密度提高了100倍,达6×105 A/cm2,美国马萨诸萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法,解决了材料的脆弱问题,使强度比超导陶瓷提高了10倍,适用于作输电线.我国则早已制成零电阻为83.7 K的超导材料和零电阻为77 K的超导薄膜.
3,超导体的物理特性
①零电阻是超导体的一个重要特性,实验表明:超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关,还与外磁场强度和通过超导体的电流有关,这意味着存在临界电流,超过临界电流就会出现电阻.
②迈斯纳效应——完全抗磁性
这种性质是1993年迈斯纳研究超导态的磁性时发现的,即不管超导体内原来有无磁场,一旦进入超导态,超导体内的磁场一定等于零,即具有安全抗磁性,超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象,磁悬浮现象在工程技术中有许多重要的应用,如用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等.
4,超导技术的应用
超导技术的应用十分广泛,涉及输电,电机,交通运输,微电子和电子计算机,生物工程,医疗,军事等领域,这种新技术军民兼用,可研制出"双重"产品,将获得极大的社会效益和军事效益.
①在电力工程方面的应用
超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗,因而可节省大量能源;用超导线圈储存能量在军事上有重大应用,超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率,降低损耗,从而导致电工领域的重大变革.
②超导技术在交通运输方面的应用
动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车,车辆不受地面阻力的影响,可高速运行,车速达500 km/h以上,若让超导磁悬浮列车在真空中运行,车速可达1 600 km/h,利用超导体制成无摩擦轴承,用于发射火箭,可将发射速度提高3倍以上.
③超导技术在电子工程方面的应用
用超导技术制成各种仪器,具有灵敏度高,噪声低,反应快,损耗小等特点,如用超导量子干涉仪可确定地热,石油,各种矿藏的位置和储量,并可用于地震预报.
应用超导体制成计算机元件,开关速度可达到10-12 s,比半导体快1 000倍左右,而功耗仅为微瓦级,体积比半导体元件小1 000倍.用超导芯片制成超级计算机速度快,容量大,体积小,功耗低,美国IBM公司研制的一台运速为8 000万次的超导计算机,体积只有电话机那么大.
④超导技术在生物医疗方面的应用
超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术,可分辨早期肿瘤癌细胞等,还可做心电图,脑磁图,肺磁图,研究气功原理等.
⑤超导技术在军事上的应用
超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机,推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力,在航海中的应用,可大大减小甚至没有噪音,推进速度快,可大大提高舰艇的生存,作战能力,超导计算机应用于C3I指挥系统,可使作战指挥能力迅速改善提高等等.
随着超导技术的不断发展,高温氧化物超导材料和有机物超导材料将不断问世,目前超导还只应用在科学实验和高技术中,例如中国科学院合肥等离子体物理研究所,采用超导技术建成托卡马克实验装置(磁约束装置),放电300 ms,电流I=150 kA,使我国核聚变研究能力向前跨进一大步.