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1、12.3.4 2.3.4 超导材料超导材料22超导材料超导材料超导材料是一种超导材料是一种没有电阻没有电阻的材料，既的材料，既能能节约能量节约能量，还能把，还能把电流储存电流储存起来。起来。3 2.1超导材料的发展历程超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的年，科学家发现，金属的电阻电阻和和它的它的温度温度条件有很大关系：条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。时电阻减少。4 1.1.超导现象的发现超导现象的发现 1911年，昂内斯选择了水银作为实验材料，在液氦的温度下进行研究。发现温度降到 4.2 K 左右时，水银的电阻竟然消失了！
2、5低温超导体的临界转变温度最高为低温超导体的临界转变温度最高为30K，因此，它必须在液氦，因此，它必须在液氦(零下零下269 C)温度下工作。温度下工作。液氮液氮(零下零下196 C)无论在价格、来源和制备都比液氦具有大无论在价格、来源和制备都比液氦具有大得多的优势。得多的优势。低温超导体应用的局限性低温超导体应用的局限性低温超导体应用的局限性低温超导体应用的局限性626种超导金属元素种超导金属元素7研究发现：金属合金的超导转变温度比单质研究发现：金属合金的超导转变温度比单质研究发现：金属合金的超导转变温度比单质研究发现：金属合金的超导转变温度比单质金属稍微高一些金属稍微高一些金属稍微高一些金
3、属稍微高一些锗三铌锗三铌(Nb3Ge)的超导转变温度为的超导转变温度为23.2K,在在20世纪世纪80年代以前是最高记录。年代以前是最高记录。81986年，年，贝特诺茨贝特诺茨贝特诺茨贝特诺茨和和缪勒缪勒缪勒缪勒从别人多次失败中从别人多次失败中总结教训，放弃了在总结教训，放弃了在金属和合金金属和合金金属和合金金属和合金中寻找超导材料中寻找超导材料的老观念，终于发现一种的老观念，终于发现一种Ba-La-Cu-OBa-La-Cu-O系氧化物系氧化物系氧化物系氧化物材料材料材料材料(BLCO)(BLCO)材料在材料在4343KK这一较高温度下出现超这一较高温度下出现超导现象。导现象。9而后而后朱经武
4、朱经武朱经武朱经武发现的发现的铊钡钙铜氧系铊钡钙铜氧系铊钡钙铜氧系铊钡钙铜氧系合金的超导温度更合金的超导温度更接近室温，达接近室温，达120120120120K K K K。使超导温度从极为寒冷的使超导温度从极为寒冷的液氦液氦区进区进入到比较温暖的入到比较温暖的液氮液氮区。区。10二流体模型二流体模型 BCS理理论二二 超超导导基本原理基本原理11二流体模型 金属晶体的基本组成单位是原子，而原子又是由原子核和核外电子组成，电子在金属内共有化，所以金属实际上是由带正电的离子组成的晶格点阵（晶格点阵（C1)和电子气电子气（C Ce e)组成。不难想象，金属比热包含晶格比热晶格比热和电子比热电子比热
5、。前者和T T3 3成正比，后者满足 C Ce e=T，是电子比热系数。比比比比热热热热：12实验表明，当达到表明，当达到临界温度界温度时，晶格，晶格结构没有构没有发生生变化，但金属比化，但金属比热却却发生了跳生了跳跃式式转变。这种转变是由于电子这种转变是由于电子发生了某种转变，可发生了某种转变，可能金属内的电子变成能金属内的电子变成了了“超流电子超流电子”。基。基于这种联想于这种联想高特高特-卡西卡西米米提出了提出了二流体模型二流体模型13二流体模型二流体模型认为金属超金属超导转变后，金属中一部分后，金属中一部分正常正常电子凝聚成子凝聚成超流状超流状态，其行，其行动完全自由，完全自由，畅通无
6、阻，通无阻，这是一种有序状是一种有序状态，是由于，是由于动量凝聚造量凝聚造成的。成的。14另一个另一个实验是是伦敦敦的模型，超的模型，超导电流只分布在超流只分布在超导线表面附近的薄表面附近的薄层内，超内，超导体内没有体内没有电流也没流也没有磁有磁场，因此体，因此体现抗磁性。抗磁性。15二流体模型的成功之二流体模型的成功之处：二流体模型的局限性：二流体模型的局限性：1.把超导体中的电子分为两类：常态电子和超导电子。把超导体中的电子分为两类：常态电子和超导电子。2.认为超导态与电子的状态有关。认为超导态与电子的状态有关。1.电子是如何从常态变成超导态？电子是如何从常态变成超导态？2.为何为何超超导
7、电流只分布在超流只分布在超导线表面附近的薄表面附近的薄层内？内？16 同位素效同位素效应 超超导能隙能隙 机理解机理解释BCSBCS理论理论17 同位素效同位素效应 超超导临界界转变Tc与原子与原子质量的平量的平方根成反比方根成反比 18由由于于晶晶格格振振动动的的频频率率也也与与原原子子量量的的平平方方根根成成反反比比，所所以以同同位位素素效效应应也也暗暗示示了了超超导导体体中中电电子子行行为为和和晶格之间的密切联系晶格之间的密切联系。超超超超导导导导能隙能隙能隙能隙由超由超导态导态的比的比热热容可知容可知，超，超导态导态的的电电子能子能谱谱中中存在一存在一个个半半宽宽度度为为 的的能量能量
8、间间隔，在隔，在这个这个能量能量间间隔隔内内禁止禁止电电子占据，子占据，人人们们把把22或或 称为称为超超导导态态的能隙。的能隙。20 L.N.Cooper认为认为超导态是由超导态是由正则动量正则动量正则动量正则动量(机械机械机械机械动量与场动量之和动量与场动量之和动量与场动量之和动量与场动量之和)为零的超导电子为零的超导电子为零的超导电子为零的超导电子组成组成的，它是的，它是动量空间的凝聚现象动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须。要发生凝聚现象，必须有有有有吸引力的作用吸引力的作用吸引力的作用吸引力的作用存在。存在。机理解机理解机理解机理解释释释释21电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离
9、子有吸电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成引作用，从而造成局部正离子的相对集中局部正离子的相对集中局部正离子的相对集中局部正离子的相对集中，导致对另，导致对另外电子的吸引作用。这样外电子的吸引作用。这样两个电子两个电子通过晶格点阵通过晶格点阵通过晶格点阵通过晶格点阵发生发生发生发生间接的吸引作用间接的吸引作用间接的吸引作用间接的吸引作用。库库库库柏柏柏柏电电电电子子子子对对对对库库柏柏(Cooper)(Cooper)证证明：明：当当2 2个电个电子子间间存在存在净净的吸引作的吸引作用用时时，在，在费费米面附近就存米面附近就存在一在一个动个动量大小相等、方量大小相等、方向相
10、反且自旋相反的束向相反且自旋相反的束缚缚态态；它它的能量比的能量比2 2个独个独立的立的电电子子总总能量低，能量低，这种这种2 2个电个电子子对对的束的束缚态称为库缚态称为库柏柏对对。BCSBCSBCSBCS超超超超导导导导微微微微观观观观理理理理论论论论1.1.超超导电性来源于性来源于电子子间通通过晶格作媒介所晶格作媒介所产生的相互吸引生的相互吸引作用，作用，当当这种作用超种作用超过电子子间的的库仑排斥作用排斥作用时，电子会形成束子会形成束缚对，也就是，也就是库柏柏电子子对，从而，从而导致超致超导电性的出性的出现。库柏柏对会会导致能隙存在，超致能隙存在，超导临界界场、热力学性力学性质和大多和
11、大多数数电磁学性磁学性质都是都是这种种库相相对活活动的的结果。果。元素或合金的超元素或合金的超导转变温度与温度与费米面附近米面附近电子能子能态密度密度N(EF)和和电子子-声子相互作用能声子相互作用能U有关，可用有关，可用电阻率来估阻率来估计。BCSBCSBCSBCS超超超超导导导导微微微微观观观观理理理理论论论论3.3.在在绝对零度下，零度下，对于超于超导态，低能量的即在，低能量的即在费米米球内部深球内部深处的的电子，仍与子，仍与处在正常在正常态中的一中的一样。但在但在费米面附近的米面附近的电子，子，则在吸引力作用下，按在吸引力作用下，按相反的相反的动量和自旋全部量和自旋全部结成成库柏柏对，
12、也就是凝聚，也就是凝聚的超的超导电子，在有限温度下，一方面出子，在有限温度下，一方面出现一些不一些不成成对的的单个激个激发电子，相当于所子，相当于所谓正常的正常的电子；子；另一方面另一方面库柏柏对吸引力减弱，吸引力减弱，结合程度合程度变差。温差。温度越高，成度越高，成对的的电子数越少，子数越少，结合程度越差。当合程度越差。当达到达到临界温度界温度时，库柏柏对全部拆散成全部拆散成单个的正常个的正常电子，超子，超导态即即转变成正常成正常态了。了。零零零零电电电电阻、能隙的解阻、能隙的解阻、能隙的解阻、能隙的解释释释释在超在超导态情况下，情况下，载流子是流子是库柏柏电子子对。库柏柏对的的电子子虽然受
13、到散射，但在然受到散射，但在过程中，程中，总动量不量不变，电流就不会流就不会变，相当于无阻状，相当于无阻状态 能隙就是破坏一个能隙就是破坏一个库柏柏对所需要的能量，至所需要的能量，至少少2 用用用用BCSBCSBCSBCS理理理理论论论论解解解解释释释释超超超超导导导导性性性性质质质质 261.第一类超导体：只有一个临界磁场 Hc 和正常态、超导态两种状态的超导体叫第 一类超导体。超导体的分类超导体的分类27272.第二类超导体：具有两个临界磁场 Hc1、Hc2，并且可以经 历超导态、混合态和正常态这三种状态的超导体，叫第二 类超导体。292.2、超导体的三个临界参数、超导体的三个临界参数19
14、11年，荷兰物理学家昂内斯年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes)在成功在成功地将氦气液化、获得地将氦气液化、获得4.2K的的超低温超低温超低温超低温后，开始研究后，开始研究超低温条件下超低温条件下金属电阻的变化金属电阻的变化金属电阻的变化金属电阻的变化，结果发现：，结果发现：当温当温度下降至度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！时，汞电阻突然消失了！这就是超这就是超导现象，此时的温度称为导现象，此时的温度称为超导临界温度超导临界温度超导临界温度超导临界温度TcTc。30零电阻零电阻是超导体最基本的特性，它意味是超导体最基本的特性，它意味着着电流可以在超导体内无损耗地流动电流可以在超导体内无损耗地
15、流动，使电，使电力的无损耗传输成为可能；力的无损耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的同时，零电阻允许有远高于常规导体的载流密度载流密度，可用以形成，可用以形成强磁场强磁场或或超强磁场超强磁场。31发发现现超超导导电电性性后后，昂昂昂昂内内内内斯斯斯斯即即着着手手用用超超超超导导导导体体体体来来绕绕制制强强强强磁磁磁磁体体体体，但但出出乎乎他他的的意意料料，超超导导体体在在通通上上不不大大的的电电流流后后，超超导导电电性性就就被被破破坏坏了了，即即超超超超导导导导体体体体具具具具有临界电流有临界电流有临界电流有临界电流IcIc。此后，又发现了超导体的此后，又发现了超导体的临界磁场临
16、界磁场临界磁场临界磁场HcHc。Ic和和Hc也也是是超超导导体体的的基基本本特特性性，是是实实现现超超导导体强电应用的必要条件。体强电应用的必要条件。32临界临界临界临界温度（温度（温度（温度（Tc）、）、临界电流（临界电流（临界电流（临界电流（IcIc）和和临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场（HcHc）是是“约束约束”超导现象的三大临界条件。超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处当超导体同时处当超导体同时处当超导体同时处于三个临界条件以内于三个临界条件以内于三个临界条件以内于三个临界条件以内，即处于如图，即处于如图2.1所示的所示的三角锥三角
17、锥三角锥三角锥形曲面内侧形曲面内侧形曲面内侧形曲面内侧，才具有超导电性。，才具有超导电性。33二.产生的条件:342.2.1临界温度临界温度Tc超超导导体体从从常常常常导导导导态态态态转转变变为为超超超超导导导导态态态态的的温温度度就就叫叫做做临临界界温温度，以度，以Tc表示。表示。临临临临界界界界温温温温度度度度是是在在外外部部磁磁场场、电电流流、应应力力和和辐辐射射等等条条件件维持足够低时，维持足够低时，电阻突然变为零电阻突然变为零电阻突然变为零电阻突然变为零时的温度。时的温度。由由于于材材材材料料料料的的的的不不不不纯纯纯纯，这这种种零零电电阻阻转转变变前前后后，跨跨越越了了一一个温区域
18、。个温区域。352.2.2临界磁场临界磁场Hc()实验发现，超导电性可以被实验发现，超导电性可以被外加磁场外加磁场所所破坏，对于温度为破坏，对于温度为T(TTc)的超导体，当外的超导体，当外磁场超过某一数值磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就的时候，超导电性就被破坏了，使它由被破坏了，使它由超导态超导态转变为转变为常导态常导态,电电阻重新恢复。阻重新恢复。36这种能够破坏超导态所需的这种能够破坏超导态所需的最小磁场强度最小磁场强度最小磁场强度最小磁场强度，叫做叫做临界磁场临界磁场临界磁场临界磁场Hc(T)Hc(T)。它与超导材料的性质有关，。它与超导材料的性质有关，不同材料的不同材料的
19、Hc变化范围很大。在临界温度变化范围很大。在临界温度Tc，临临界磁场为零。界磁场为零。Hc(T)Hc(T)和温度的关系是和温度的关系是和温度的关系是和温度的关系是随温度降低，随温度降低，随温度降低，随温度降低，HcHc增加。增加。增加。增加。一般可以近似地表示为抛物线关系：一般可以近似地表示为抛物线关系：式中，式中，Hc是绝对零度（是绝对零度（0K）时的临界磁场。）时的临界磁场。372.2.3临界电流临界电流Ic(T)实验表明，实验表明，在不加磁场的情况下在不加磁场的情况下，超导体中，超导体中通过足够强的电流通过足够强的电流通过足够强的电流通过足够强的电流也会破坏超导电性，破坏超导也会破坏超导
20、电性，破坏超导电性所需要的电性所需要的最小极限电流最小极限电流最小极限电流最小极限电流，亦是产生临界磁场，亦是产生临界磁场的电流，也就是超导态允许流动的最大电流，称的电流，也就是超导态允许流动的最大电流，称作作临界电流临界电流临界电流临界电流Ic(T)Ic(T)。38在临界温度在临界温度Tc，临界电流为零，这个现象可临界电流为零，这个现象可以从以从磁场破坏超导电性磁场破坏超导电性磁场破坏超导电性磁场破坏超导电性来说明。来说明。当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到到Hc时，超导电性就被破坏这个电流的大小就时，超导电性就被破坏这个电流的大小就是样品的是样品
21、的临界电流临界电流临界电流临界电流。临界电流随温度变化的关系临界电流随温度变化的关系临界电流随温度变化的关系临界电流随温度变化的关系有有式中，式中，c是绝对零度时的临界电流。是绝对零度时的临界电流。39超导材料基本物理特性：超导材料基本物理特性：临界温度临界温度临界温度临界温度TcTc、临界磁临界磁临界磁临界磁场场场场HcHc和和临界电流临界电流临界电流临界电流IcIc三个临界值。三个临界值。超导材料只有处在这些超导材料只有处在这些临界值以下的状态临界值以下的状态时才时才显示超导性，三者缺一不可，其中显示超导性，三者缺一不可，其中Tc、Hc只与材料只与材料的电子结构有关，是材料的本征参数。而的
22、电子结构有关，是材料的本征参数。而Ic和和Hc不不是相互独立的，是彼此有关并依赖于温度。三者关是相互独立的，是彼此有关并依赖于温度。三者关系可用曲面系可用曲面图图2.1表示。所以表示。所以临界值越高，实用性就临界值越高，实用性就越强，利用价值就越高。越强，利用价值就越高。402.3超导材料的基本特性超导材料的基本特性1零电阻效应零电阻效应2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）412.超导体的主要特征1.完全导电性（零电阻效应）某些物质在一定值的温度下，电阻突然变到零，或 者说电阻完全消失，这种状态称为超导态(super-conducting state)，而具有这种
23、特性的物质就称为超导体(superconductor)。超导体在刚刚进入超导态的温度叫作 超导临界温度 (superconducting critical temperature)，用 Tc 表示。即TTc时，超导体出于正常态。421.常导体的“零”电阻比超导体的“零”电 阻的值要大很多。2.常导体的电阻随温度渐变至“零”，而超 导体的电阻随温度下降几乎是跃变至 “零”的。3.超导体的“零”电阻是指直流电阻。如何理解超导体的如何理解超导体的”零电阻零电阻”超导体的超导体的”零零”电阻和常导体的电阻和常导体的”零零”电阻的电阻的含义是有根本区别的含义是有根本区别的.常导体的电阻率随温度的变化曲线
24、常导体的电阻率随温度的变化曲线水银电阻率随温度的变化水银电阻率随温度的变化432.临界磁场效应（Hc）当超导体处于超导态时，当外磁场强度超过某一数值Hc时，超导电性被破坏，超导体会突然就变成正常导体，出现了电阻。Hc被称为临界磁场强度。实验表明对一定的超导体临界磁场是温度的函数。Hc(T)=Hc(0)1 (T Tc)2 Hc(0)为 T 0 时的临界磁场。T=Tc 时，Hc=0，T 0 时，Hc 达到最大值。高于临界值是一般导体，低于此数值时成为超导体。Hc(T)=Hc(0)1(T Tc)2443.临界电流效应（Ic）当通过超导体的电流超过一定的数值Ic后，超导电性也可被破坏，称Ic为临界电流
25、。4.完全抗磁性（迈斯纳效应）处在超导状态时，超导体内部磁感应强度为零。如果把超导样品放置到磁场中，然后冷却到临界温度Tc以下，原来在样品内的磁通就要从样品内被排出，这种现象称为迈斯纳效应（Meissner effect）。45液液氮氮环环境境下下的的超超导导实实验验由迈斯纳效应可知，超导体由迈斯纳效应可知，超导体在静磁场中的行为在静磁场中的行为在静磁场中的行为在静磁场中的行为可可以近似地用以近似地用“完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体完全抗磁体”来描述。利用这一特性，来描述。利用这一特性，可以实现可以实现磁悬浮磁悬浮磁悬浮磁悬浮。4647仅从超导体的仅从超导体的零电阻现象零电阻现象出发，得不到出
26、发，得不到迈斯纳效应迈斯纳效应。同样，用。同样，用迈斯纳效应迈斯纳效应也不能描也不能描述述零电阻现象零电阻现象。因此，因此，迈斯纳效应迈斯纳效应和和零电阻性质零电阻性质是超导是超导态的态的两个独立的基本属性两个独立的基本属性，衡量一种材料是，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否否具有超导电性必须看是否同时具有同时具有零电阻零电阻现象现象和和迈斯纳效应迈斯纳效应。48迈斯纳效应产生的原因迈斯纳效应产生的原因当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生表面产生无损耗感应电流无损耗感应电流无损耗感应电流无损耗感应电流，这个电流产生的磁场，这个电流产生的磁场与
27、原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。场为零。即，即，无损感应电流无损感应电流无损感应电流无损感应电流对对外加磁场外加磁场外加磁场外加磁场起着起着屏蔽的作屏蔽的作屏蔽的作屏蔽的作用用用用，因此又称为，因此又称为抗磁性屏蔽电流抗磁性屏蔽电流抗磁性屏蔽电流抗磁性屏蔽电流。49根据上述超导材料的两个基本特征，可根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：以看出：超导体超导体是指某种物质冷却到某一温度时是指某种物质冷却到某一温度时电阻突然变为零电阻突然变为零，同时物质内部，同时物质内部失去磁通失去磁通成成为完全抗磁性的物质。为完全抗磁性的物质。502.
28、6超导材料的应用超导材料的应用2.6.1 2.6.1 高温超导材料的应用高温超导材料的应用高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：（）（）大电流大电流大电流大电流应用（强电应用）；应用（强电应用）；（）（）电子学电子学电子学电子学应用（弱电应用）；应用（弱电应用）；（）（）抗磁性抗磁性抗磁性抗磁性应用。应用。51大电流应用大电流应用主要是指主要是指超群的超群的超导磁体超导磁体用用于于超导发电超导发电、输电输电和和储能储能等三方面。等三方面。电子学应用电子学应用包括包括超导计算机超导计算机、超导天线超导天线、超导微波器件超导微波器件等；等；抗磁性抗磁性主要
29、应用于主要应用于磁悬浮列车磁悬浮列车和和热核聚热核聚变反应堆变反应堆等。等。节能方面能方面（1）超）超导输电（2）超）超导发电机和机和电动机机（3）超）超导变压器器麻麻烦的是，的是，电缆必必须一直浸在一直浸在77K(约-196)的液氦之中。因此，如果要架的液氦之中。因此，如果要架设这样的的电缆，每隔，每隔1 000米左右就必米左右就必须安装安装泵机和冷却机和冷却设备，大，大大增加了超大增加了超导电缆方案的成本和复方案的成本和复杂程度，程度，这本身就消耗巨大的本身就消耗巨大的电能。能。热绝缘结构电缆基本结构示意图 从内到外，依次为：管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）；超导导体层（为超导带材分层
30、绕制）；热绝缘层（为真空隔热套件）；常规电气绝缘层（工作在常温下）；电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。冷绝缘结构电缆基本结构示意图 从内到外，依次为：管状支撑物（内通液氮）；超导导体层（为电缆载流导体）；电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）；超导屏蔽层（为超导带材绕制）；液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）；热绝缘层（为真空隔热套件）；常规电缆屏蔽层和护层。磁磁悬悬浮列浮列车车的不足的不足1、由于磁由于磁悬浮是以浮是以电磁力完成磁力完成悬浮、浮、导向和向和驱动功能功能的，断的，断电后磁后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列浮的安全保障措施，尤其是列车停停电后的制后的制动问题任然是要
31、解决的任然是要解决的问题。其高速。其高速稳定定性和可靠性性和可靠性还需很需很长时间的运行考的运行考验。2、常、常导磁磁悬浮技浮技术的的悬浮高度浮高度较低，因此低，因此对线路的路的平整度、路基下沉量及道岔平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求构方面的要求较超超导技技术更高。更高。3、超、超导磁磁悬浮技浮技术由于由于涡流效流效应悬浮能耗浮能耗较常到技常到技术更大，冷却系更大，冷却系统重，重，强磁磁场对人体与人体与环境都有影境都有影响。响。为为什什么么磁浮磁浮铁铁路路并没并没有出有出现现人人们们所所企望的那企望的那种种成成为为主要交通工具的主要交通工具的趋趋势势？首首先先，磁磁浮浮铁路路的的造造价价
32、十十分分昂昂贵。与与高高速速铁路路相相比比，修修建建磁磁浮浮铁路路费用用昂昂贵。根根据据日日本本方方面面的的估估计，磁磁浮浮铁路路的的造造价价每每公公里里约需需6060亿日日元元，比比新新干干线高高2020。磁磁浮浮铁路路所所需需的的投投入入较大大，利利润回回收收期期较长，投投资的的风险系系数数也也较高高，从从而而也也在在一一定定程程度度上影响了投上影响了投资者的信心，制者的信心，制约了磁浮了磁浮铁路的路的发展。展。为为什什么么磁浮磁浮铁铁路路并没并没有出有出现现人人们们所所企望的那企望的那种种成成为为主要交通工具的主要交通工具的趋趋势势？其其次次，磁磁浮浮铁路路无无法法利利用用既既有有的的线
33、路路，必必须全全部部重重新新建建设。由由于于磁磁浮浮铁路路与与常常规铁路路在在原原理理、技技术等等方方面面完完全全不不同同，因因而而难以以在在原原有有设备的的基基础上上进行行利利用用和和改改造造。高高速速铁路路则不不同同，可可以以通通过加加强路路基基、改改善善线路路结构构、减减少少弯弯度度和和坡坡度度等等方方面面的的改改造造，某某些些既既有有线路路或或某某些些区区段段就就可可以以达达到到高高速速铁路路的的行行车标准准。在在对既既有有线路路进行行高高速速铁路路改改造造的的过程程中中，还可可以以实现高高、中中速速混混跑跑，列列车根根据据不不同同区区段段的的最最高高限限速速以以不不同同的的速速度度行
34、行驶。因因而而，与与磁磁浮浮铁路路的的全全部部重重新新建建设相相比比，高高速速铁路路的的线路路和和运运行成本就大大降低了。行成本就大大降低了。为为什什么么磁浮磁浮铁铁路路并没并没有出有出现现人人们们所所企望的那企望的那种种成成为为主要交通工具的主要交通工具的趋趋势势？再再次次，磁磁浮浮铁路路在在速速度度上上的的优势并并没没有有凸凸显出出来来。30多多年年前前，许多多人人认为轮轨粘粘着着式式铁路路的的极极限限速速度度为每每小小时250公公里里，后后来来又又认为是是300-380公公里里。但但是是现在在，法法国国的的“高高速速列列车”(TGV)、德德国国的的“城城际快快车”(ICE)和和穿穿越越英
35、英吉吉利利海海峡峡的的“欧欧洲洲之之星星”列列车以以及及日日本本的的新新干干线，其其运运行行速速度度都都达达到到或或接接近近每每小小时300公公里里。1990年年，在在巴巴黎黎西西部部地地区区运运行行的的法法国国第第二二代代高高速速列列车TGVA“大大西西洋洋”号号更更是是创下下了了试验时速速515.3公公里里的的世世界界纪录。更更何何况况，既既便便是是 磁磁 浮浮 铁 路路 的的 行行 车 速速 度度 达达 到到 每每 小小 时 450-500公公里里，在在典典型型的的500公公里里区区间内内的的运运行行中中，也也只只比比时速速为300公里的高速公里的高速铁路路节约半小半小时，其，其优势不是
36、特不是特别明明显。66其它高速列车其它高速列车其它高速列车其它高速列车-无砟轨道列车无砟轨道列车无砟轨道列车无砟轨道列车“砟砟”是小块的石头。是小块的石头。常规铁路都在小块石头常规铁路都在小块石头的基础上，再铺设枕木的基础上，再铺设枕木或混凝土轨枕，最后铺或混凝土轨枕，最后铺设钢轨，这种线路不适设钢轨，这种线路不适于列车高速行驶。于列车高速行驶。无砟轨枕本身是混凝土无砟轨枕本身是混凝土浇灌而成，浇灌而成，路基也不用路基也不用碎石，碎石，铁轨、轨枕直接铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上铺在混凝土路上。无砟轨道无砟轨道67无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可减少维护、无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可
37、减少维护、降低粉尘、美化环境，列车时速可达降低粉尘、美化环境，列车时速可达200公里以上。公里以上。“成灌高铁成灌高铁”(中西部铁路建设中首次运用无砟技术中西部铁路建设中首次运用无砟技术)于于2009年年5月月12日正式投入运营，日正式投入运营，时速可达时速可达218公里公里，从成都至青城，从成都至青城山景区不超过山景区不超过40分钟。分钟。建设中的建设中的京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁铁、京沈高铁、哈大高铁均采用无砟轨道技术。均采用无砟轨道技术。682010年年9月月28日，沪杭高铁试运行，日，沪杭高铁试运行，运行时速高达运
38、行时速高达416.6公里。公里。无砟轨道无砟轨道和和无缝钢轨无缝钢轨联结联结，再加上，再加上新一代高速动车新一代高速动车组组国产国产“和谐号和谐号”CRH380A，共同创造出，共同创造出世界铁路运营试验最高时世界铁路运营试验最高时速记录。速记录。沪杭高铁沪杭高铁692010年年12月月3日，在日，在京沪高铁京沪高铁枣庄至蚌埠间进行的枣庄至蚌埠间进行的先导段联调联试和综合试验中，先导段联调联试和综合试验中，CRH380A高速动高速动车组最高运行时速达到车组最高运行时速达到486.1公里公里，这是继，这是继9月月28日日沪杭高铁试运行创下时速沪杭高铁试运行创下时速416.6公里之后，公里之后，中国
39、高铁中国高铁再次刷新世界铁路运营试验最高速度。再次刷新世界铁路运营试验最高速度。京沪高铁京沪高铁四、电子信息领域的应用四、电子信息领域的应用超导材料超导材料1 1、超导计算机、超导计算机第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用高速高速计算机要求集成算机要求集成电路芯片上的元件和路芯片上的元件和连接接线密密集排列，但密集排列的集排列，但密集排列的电路在工作路在工作时会会发生大量的生大量的热，而散，而散热是超大是超大规模集成模集成电路面路面临的的难题。超。超导计算机中的超大算机中的超大规模集成模集成电路，其元件路，其元件间的互的互连线用接近零用接近零电阻和超微阻和超微发热的超的超导器件来制作，不
40、存器件来制作，不存在散在散热问题，同，同时计算机的运算速度大大提高。此算机的运算速度大大提高。此外，正在研究用半外，正在研究用半导体和超体和超导体来制造晶体管，甚体来制造晶体管，甚至完全用超至完全用超导体来制作晶体管。体来制作晶体管。三、研究领域的应用三、研究领域的应用冷子管和超导计算机冷子管和超导计算机 一种电电流流开开关关当控制线圈没有电流时，门线超导；当控制线圈通过一定电流时，它的磁场使门线从超导态转变到正常态。1935年，卡西米尔和哈斯用年，卡西米尔和哈斯用PbTi合金做门线，用合金做门线，用Pb绕制控制绕制控制线圈，做出了第一个开关元件，线圈，做出了第一个开关元件，1956年，巴克把
41、这种装置命名年，巴克把这种装置命名为冷子管，指出它可以用来做计算机的开关元件。为冷子管，指出它可以用来做计算机的开关元件。半导体机速速度度与与发发热热的尖锐矛盾，从1965年开始，领导IBM公司的100多人共同奋战，终于使约瑟夫逊器件的超导计算机有了眉目。马梯索于1967年发明的隧隧道道冷冷子子管管中，约瑟夫逊结具有极高的开关速度（约为10-12秒秒数量级，速度是半导体器件的百百倍倍以上）和极低的功耗（只有半导体器件的千千分分之之一一左左右右），对应逻辑器件能以惊人的速度执行“与”功能，从而为制造亚亚纳纳秒秒电子计算机提供了一条途径。超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机超导计算机是使用超导
42、体元器件的高速计算机用约瑟夫逊器件制成电子计算机，称为约瑟夫逊计算机，也用约瑟夫逊器件制成电子计算机，称为约瑟夫逊计算机，也就是超导计算机，又称超导电脑。这种电脑的耗电仅为用半导体就是超导计算机，又称超导电脑。这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快分之一秒，比半导体元件快10倍。倍。日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善的超导电脑，日本电气技术研究所研制成世界上第一台完善的超导电脑，它采用了它采用了4个约瑟夫逊大规模集成电路，每个集成电路芯片只有个约瑟夫逊大规模集成电路
43、，每个集成电路芯片只有35立方毫米大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。立方毫米大小，每个芯片上有上千个约瑟夫逊元件。约瑟夫逊超导元件。使用约瑟夫逊超导元件。使用铌系列超导材料，不但速铌系列超导材料，不但速度快，而且耗电少度快，而且耗电少第四节第四节 超导材料的应用超导材料的应用超导材料超导材料2 2、超导电磁测量装置、超导电磁测量装置五、军事领域的应用五、军事领域的应用1 1、超导贮能系统、超导贮能系统3 3、超导电磁炮、超导电磁炮2 2、超导粒子束武器和自由电子激光器、超导粒子束武器和自由电子激光器1.超导是怎样发现的？2.超导体有哪几个临界参量？3.什么是迈斯纳效应？4.传统超导体必须同时具有什么特性？5.BCS理论是什么？6.何为第一类超导体？何为第二类超导体？7.什么是高温超导？8.超导有何应用？