超導體的應用

超導體現(xiàn)象及應用Structuredthinking什么是超導體Structuredthinking?NO.1超導體Structuredthinking超導體是指能進行超導傳輸?shù)膶щ姴牧?，零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。1911年，荷蘭科學家卡末林·昂內(nèi)斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導電性，超導現(xiàn)象就此被發(fā)現(xiàn)。超導體按材料可以分為第一類超導體和第二類超導體，按解釋理論可分為傳統(tǒng)超導體和非傳統(tǒng)超導體、按臨界溫度可分為高溫超導體和低溫超導體，按材料可分為化學材料超導體和有機超導體。StructuredthinkingNO.2超導體的應用

一、超導輸電目前由于電阻熱效應在電能傳輸中造成的損失約占總發(fā)電量15％左右，大量的電能被白白損耗掉，造成能源的巨大浪費.所以超導體的無電阻性在技術上有重大應用價值。如果實現(xiàn)超導輸電，就可以避免導體的電阻熱效應，實現(xiàn)大功率、長距離輸電，從而大大降低電能的損耗，極大地提高電能的利用率。StructuredthinkingNO.1超導體二、超導機電設備電動機、發(fā)電機和變壓器的線圈都是利用導線繞制的，導線有電阻，通電就發(fā)熱，電流過大就有燒壞線圈的危險。而利用超導體的無阻性，就可以在導線中通過很大的電流，使電磁鐵形成強大磁場。這樣就可以把大功率變壓器、大型電機的體積大大地縮小.重量大大減輕，同步電抗小，穩(wěn)定性好．Structuredthinking三、超導儀表通訊設備超導體的無電阻性還可以大大地減小了微電子線路中熱噪聲，從而極大地提高電子儀器測量的靈敏度，所以可以利用超導制成運算速度更快的超導體巨型電子計算機，還可以用超導來傳遞電信號，做到迅速、準確、大容量、無衰減。NO.1超導體NO.1超導體傳統(tǒng)的鐵路車輛由于車輪和鐵軌磨損嚴重，以及車輪與鐵軌的摩擦力，限制了車速．而超導磁懸浮列車則是在每節(jié)車廂下邊的車輪旁邊都安裝有小型超導磁體，在軌道兩旁埋設有一系列閉合的鋁環(huán)，在超導磁體的線圈中電流就會產(chǎn)生很強的磁場.列車開動后，超導磁體相對于鋁環(huán)運動，在鋁環(huán)里感應出很強的電流，并相應形成極強的磁場。鋁環(huán)產(chǎn)生的磁場與車上超導磁體的磁場方向相反，相互排斥，使車上的超導磁體受到軌道鋁環(huán)向上的托力，把列車凌空托起，摩擦阻力很小，列車時速可高達幾百千米以上，且磨損小，維修少，成本低。所以超導磁懸浮列車是一種高速、安全、無污染的新型列車，是名副其實的綠色交通工具

四、超導磁懸浮列車NO.1超導體醫(yī)用核磁共振成像儀，可測定生物體中氫原子核以及特定原子核構(gòu)成的物質(zhì)，通過核磁共振掃描，檢測生物體組織發(fā)生的種種變化，再經(jīng)過計算機處理，把變化顯示出來，從而發(fā)現(xiàn)生物體組織的病變．由于磁共振成像不使用放射線，又不接觸人體，所以對人體組織無損害．使用超導磁體的磁共振成像，除可檢測出氫原子以外還可檢測出磷、鈉等的信息，這是由于使用超導磁體提高了共振頻率．此外，使用超導磁體的磁共振成像比使用常規(guī)磁體的磁共振成像還具有重量輕、磁場穩(wěn)定性好、磁場強度大、成像更為清晰等優(yōu)點．由于超導磁共振成像的一系列優(yōu)點，所以用它來診斷的病癥范圍將大幅度擴展，超導磁體共振成像可用于早期診斷腫瘤、腦髓及心血管疾患，并可用于測量血流、監(jiān)控醫(yī)療過程，還能了解人體的新陳代謝五、超導核磁共振儀1911年卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到－268.98℃時，汞的電阻突然消失；后來他發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性。1913年卡末林—昂內(nèi)斯在諾貝爾領獎演說中指出：低溫下金屬電阻的消失“不是逐漸的，而是突然的”，水銀在4.2K進入了一種新狀態(tài)，由于它的特殊導電性能，可以稱為超導態(tài)”。1932年霍爾姆和卡末林—昂內(nèi)斯都在實驗中發(fā)現(xiàn)，隔著極薄一層氧化物的兩塊處于超導狀態(tài)的金屬，沒有外加電壓時也有電流流過。1933年荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導體的一個極為重要的性質(zhì)。1935年德國人倫敦兄弟提出了一個超導電性的電動力學理論。1950年美籍德國人弗茹里赫與美國伊利諾斯大學的巴丁經(jīng)過復雜的研究和推論后，同時提出：超導電性是電子與晶格振動相互作用而產(chǎn)生的。他們都認為金屬中的電子在點陣中被正離子所包圍，正離子被電子吸引而影響到正離子振動，并吸引其它電子形成了超導電流。接著，美國伊利諾斯大學的巴丁、庫柏和斯里弗提出超導電量子理論，他們認為：在超導態(tài)金屬中電子以晶格波為媒介相互吸引而形成電子對，無數(shù)電子對相互重疊又常?；Q搭配對象形成一個整體，電子對作為一個整體的流動產(chǎn)生了超導電流。由于拆開電子對需要一定能量，因此超導體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在能量差，即能隙。這一重要的理論預言了電子對能隙的存在，成功地解釋了超導現(xiàn)象，被科學家界稱作“巴庫斯理論”。這一理論的提出標志著超導理論的正式建立，使超導研究進入了一個新的階段1953年畢派德推廣了倫敦的概念并得到與實驗基本相符的超導穿透深度的數(shù)值。1960-1961年美籍挪威人賈埃瓦用鋁做成隧道元件進行超導實驗，直接觀測到了超導能隙，證明了巴庫斯理論。他在大量實驗中，曾多次測量到零電壓的超導電流，但未引起他的重視。1962年年僅20多歲的劍橋大學實驗物理研究生約瑟夫遜在著名科學家安德森指導下研究超導體能隙性質(zhì)，他提出在超導結(jié)中，電子對可以通過氧化層形成無阻的超導電流，這個現(xiàn)象稱作直流約瑟夫遜效應。當外加直流電壓為V時，除直流超導電流之外，還存在交流電流，這個現(xiàn)象稱作交流約瑟夫遜效應。將超導體放在磁場中，磁場透入氧化層，這時超導結(jié)的最大超導電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。約瑟夫遜的這一重要發(fā)現(xiàn)為超導體中電子對運動提供了證據(jù)，使對超導現(xiàn)象本質(zhì)的認識更加深入。約瑟夫森效應成為微弱電磁信號探測和其他電子學應用的基礎。70年代超導列車成功地進行了載人可行性試驗。超導列車是在車上安裝強大的超導磁體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當車輛行進時，車上的磁體在地上的線圈中感應起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛在電機牽引下無摩擦地前進，時速可高達500千米。1986年1月在美國國際商用機器公司設在瑞士蘇黎世實驗室中工作的科學家柏諾茲和繆勒，首先發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物是高溫超導體，將超導溫度提高到30K；緊接著，日本東京大學工學部又將超導溫度提高到37K。1987年1月初日本川崎國立分子研究所將超導溫度提高到43K；不久日本綜合電子研究所又將超導溫度提高到46K和53K。中國科學院物理研究所由趙忠賢、陳立泉領導的研究組，獲得了48.6K的鍶鑭銅氧系超導體，并看到這類物質(zhì)有在70K發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象1987年2月16日美國國家科學基金會宣布，朱經(jīng)武與吳茂昆獲得轉(zhuǎn)變溫度為98K的超導體。1987年2月20日中國也宣布發(fā)現(xiàn)100K以上超導體。1987年3月3日，日本宣布發(fā)現(xiàn)123K超導體。1987年3月12日中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。1987年3月27日美國華裔科學家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導跡象。1987年12月30美國休斯敦大學宣布，美籍華裔科學家朱經(jīng)武又將超導溫度提高到40.2K1987年日本鐵道綜合技術研究所的“MLU002”號磁懸浮實驗車開始試運行。1991年3月日本住友電氣工業(yè)公司展示了世界上第一個超導磁體。1991年10月日本原子能研究所和東芝公司共同研制成核聚變堆用的新型超導線圈。該線圈電流密度達到每平方毫米40安培，為過去的3倍多，達到世界最高水準。該研究所把這個線圈大型化后提供給國際熱核聚變堆使用。這個新型磁體使用的超導材料是鈮和錫的化合物。1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金會建造的超導船“大和”1號在日本神戶下水試航。超導船由船上的超導磁體產(chǎn)生強磁場，船兩側(cè)的正負電極使水中電流從船的一側(cè)向另一側(cè)流動，磁場和電流之間的洛倫茲力驅(qū)動船舶高速前進。這種高速超導船直到目前尚未進入實用化階段，但實驗證明，這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革命，就像當年富爾頓發(fā)明輪船最后取代了帆船那樣。1992年一個以巨型超導磁體為主的超導超級對撞機特大型設備，于美國得克薩斯州建成并投入使用，耗資超過82億美元。1996年改進高溫超導電線的研究工作取得進展，制成了第一條地下輸電電纜。歐洲電纜巨頭皮雷利電纜公司、美國超導體公司和舊金山的電力研究所的工人，共同把6000米長的鉍、鍶、鈣、銅和氧制成的線纏繞到一根保持超導溫度的液氮的空管子上。2001年4月，340米鉍系高溫超導線在清華大學應