《高温超导研究的发展和应用前景siu.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高温超导研究的发展和应用前景siu.pptx（41页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、A PROBLEM ABOUT SUPERCONDUCTIVEPRODUCER:YAOLEI0410269ForewordThe history of the superconductiveThe theory of the superconductiveThe use and process of the superconductiveSummarySome day,when I was doing the exercise,I found an interesting problem about the superconductive.So I want to talk about som
2、ething about the superconductive.The problemThe question is whether or not the magnetic field exist in a superconductivity ball hull?The key:not exist.The history of the superconductive In 1908,H.Kamerlingh-Onnes of an university of Holland carry out the liquefaction of He for the very first time,ac
3、quiring the low temperature of the 4.2 Ks(-268.8 s),opening a convenient door for studying under the low temperature condition the material conducted electricity.In 1911,he discovered to cool off mercury-268.98 s.The electric resistance of the mercury disappeared suddenly.Onnes called this kind of c
4、onductor that was placed in the superconductive appearance as the superconductivity.The temperature when superconductivity electric resistance suddenly changes into zero was called the superconductive critical temperature.Because of this detection he acquired the Nobel prize in 1913.Complete anti-ma
5、gnetismIn 1933,two scientists discovered the extremely important property that if two of the superconductivity together,or the metals placed in the superconductive appearance,the magnetic lines of force in the superconductivity is zero,which was exist in the magnetic field in the body.But now it is
6、discriminated against and go out originally.People call this phenomenon“Meisner effect”。Two important characteristics of the superconductivity：Zero electric resistances and anti-magnetisms。Since the super electrical conductivity was discovered,through the effort of more than 70 years,the critical te
7、mperature of the normal regulations superconductivity can raise only 23.22 Ks.Because only the liquid He appear the ability above superconductive phenomenon.But He,a kind of rare air,as a result，limitted the superconductive application consumedly.In the early 60s,the people are always at investigate
8、 about raising the liquid nitrogen(77 Ks)to the superconductive critical temperature above of way,this is the superconductive research of heat.But in 1986,the superconductive research of the beginning of year heats obtained breakthrough development.the physicist Mueller and Bednorzs discovered the h
9、eat copper oxide superconductivity La2-xBaxCuO4,and the superconductive critical temperature amounts to the 40 Ks.The detection of the heat superconductiveThe theory of the superconductiveThe relation between electric resistance rate and temperature of the pure metals is some unusual:Have a liking f
10、or to seem to be and will disappear completely in the absolute zero zero degree its electric resistance in the neighborhood.This marvellous possibility urges to produce and can indicate from many orieses that limit the low temperature function that zero electric resistances arrive the infinity elect
11、ric resistance.1.1.完全导电性完全导电性 超导体在临界温度和临界磁场下，直流电阻呈现零电阻现象。美国麻省理工学院的科林斯（Collins）,曾将超导环置于磁场中，然后，使它冷却转变为超导态；再将磁场撤掉，由于电磁感应作用，在超导环内感生出一电流，这一电流在几年后仍未发现有任何电流衰减迹象，从而证明了超导体的直流零电阻性，即完全导电性。但是超导体在高频交流电情况下将不再具有完全导电性而出现损耗。一般超导体的高频损耗只有到一定的频率以上时才开始变的显著，频率越大损耗也会越大，最后当磁场达到临界磁场以上时，就和正常导体没什么区别了。2.2.完全抗磁性完全抗磁性给处于超导态的某一物质
12、加一磁场，磁力线无法穿透样品，而保持超导体内的磁通为零的特性，我们称之为完全抗磁性，也就是所谓的麦斯纳效应。处于超导态的物质，外加磁场之所以无法穿透内部，是因为样品内部感生了一个分布和大小刚好抵消外部磁通；使内部磁通为零的电流。这个电流沿表面层流过，磁场也就穿透到同样深度，这层厚度称为“磁场穿透深度（）”是温度的函数：=01-（T/Tc）4-1/2 在0 K下的磁场穿透深度 另外人们还发现如果在一个中空圆筒状超导体的轴向方向上加一磁场，然后冷却至临界温度以下，由于完全抗磁性超导圆筒实体部分的磁通将被排斥出来，但是其内部中空部分磁通即使随后撤掉外加磁通也会守恒的存在下去。这部分因超导电性而被永远
13、保存的磁通叫冻结磁通。冻结磁通也是由于前面谈到的持续电流所引起的。人们利用这个原理制成了一种磁通泵。3 3超导电性的物理原理超导电性的物理原理 知道了以上这些超导现象及特性后，让我们来进一步了解一下超导现象背后的科学原理吧。费列里希，巴丁等人经过长期的研究认为超导电性起源于电子晶格的相互作用。当电子A经过晶格时，由于异号电荷的相互吸引作用，在晶格正离子点阵内正电荷将靠近电子A，从而造成局部正电荷的密度增加；形成局部正电荷过剩，这种局部正电荷的扰动会以晶格波的形式传播开来，这种传播的扰动又会反过来影响第二个电子，电子A通过这些正电荷进而对另一电子B间接产生吸引作用。当然电子之间还有库仑斥力，但当
14、电子与晶格的相互作用足够强时，电子间的间接吸引作用可能超过库仑斥力作用，从而使电子对间有一净剩的吸引作用。结果它们就能形成一个束缚态。这种束缚态是由两个电子组成的电子对偶，我们称之为库柏对。从动量空间来看，设两电子总动量为 K，库柏的工作表明当 K=0时，束缚能最大，从而这时电子对偶能量最低。从动量空间来看，库柏对两电子所涉及的量子态是动量大小相等，方向相反，自旋也相反的那些对态。这种情况下的库柏对比两个电子“各行其是”时的能量要低，因而更加稳定。各库柏电子对中单个电子的动量（速度）可以不同。但每个库柏对的总动量是不变的，正常态金属的电阻是由于电子被晶格波散射引起的，但超导态时，电子形成库柏对
15、，库柏对的电子不断散射，但在散射的过程中总动量守恒，从而电流也不变。这就是超导电流无阻的原因。再看正常金属中的情况，那些“各行其是”的电子犹如一盘散沙，晶格点阵中的正离子的热振动使得这些“散兵游勇”步履艰难，消耗了电子运动的能量，这就在正常的金属中产生了电阻。超导体的分类超导体的分类 1 1低温超导体低温超导体 我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导体。随后人们又陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技术，低温下沉淀成薄膜的技术，
16、极快速冷却等），以前那些认为不能变成超导体的金属元素也已经在一定状态下使它们实现了超导态。2 2 高温超导体高温超导体一直以来人们只能得到液氦温度以下的低温超导体，因此工业应用价值不大，除了极少数的应用外超导体的实际应用一直停滞不前。终于在众多杰出的物理学家的不懈努力下，直到1987年超导技术有了决定性的突破，美国学者（邱等人）在铱，钡和氧化铜基础上制成了高温超导体（YIBa2Cu3O7）Tk=90-100K，这个温度已经超过氮的沸点（77K）。我们称这种临界温度在液氮沸点以上的超导体为高温超导体。1987年以来发现的高温超导体几乎都是铜酸盐类的陶瓷，虽然临界温度有了较大的提高，但是高温超导体
17、目前还没有达到所需要的稳定性，载流量也有所下降。人类在超导体的运用上看来还有很长的路要走。其它新型超导体C60：有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、C540合成如能实现，还可能成为室温超导体MgB2：二硼化镁（MgB2），其超导转变温度达39K。二硼化镁的发现为研究新一类具有简单组成和结构的高温超导体找到新途径。易合成和加工，容易制成薄膜或线材。可应用于电
18、力传输、超级电子计算机器件以及CT扫描成像仪等方面。二硼化镁的发现使世界凝聚态物理学界为之兴奋。超导材料的可能发展方向 大家可能都会觉得目前的超导材料的TC都还不是很高。的确如此，这使人深以为憾。在现今世界上使用超导设备都离不开液氮或液氦设备，这样花费大而且不方便。假如有朝一日能在常温下实现超导电性。那么毫无疑问会使现代科学技术发生深刻的变革。大家知道，电子之间本有库仑斥力，但在超导体的两电子之间由于交换声子而产生了吸引作用，当这种吸引作用超过两电子间的库仑斥力作用时，两电子就形成电子对引起超导电性，这就是电声子机构的超导电性。历史经验表明，在这种机构下进一步提高超导转变温度TC是很困难的。那
19、么会不会有其它形式的波扰动导致电子间产生净吸引作用，从而发生超导呢？为此勒特耳提出了另一种超导机构的设想。不是利用交换声子（离子晶格波的能量激发）使两电子间产生吸引，而是使两电子间交换激子而产生吸引作用。所谓激子是指由于一种电子系统的极化所导致的能量激发。为具体起见，勒特耳设想了一种结构的有机分子，它由两部分组成，如图12 A表示长链部分；它是由子导由的主体部分；另一部分是连到长链的一系列旁链B。假设在旁链分子中有正电荷从B链的左端到右端发生震荡（电荷极化），按照量子力学，这种电荷震动系统的能量是量子化的，设其基态与第一激发态之间的能量间隔（能量子）为 ，称其为激子。在长链A中的电子与产生电荷
20、极化的旁链分子发生相互作用，而通过激子作为中间媒介，有可能在两种电子之间产生一种净吸引作用。图是两电子通过激子耦合的示意图，图中粗线代表激子系统，I表示其基态，表示其基态，图中左半表示主链中第一个电子与激子系统相互作用，电子1放出一个激子使z激子从基态|I激发到|态；图中右半表示激子系统与电子2相互作用后从激发态|回到基态，这时激子被电子2所吸收。这样，电子1和点子2由于交换激子产生一种间接相互作用。如果这种激子机制能产生两激子间的净吸引力，就可以预期将出现超导态，这就是所谓的激子超导电性。勒特耳对它提出的特别是图14所示的长链和旁链分子作了初略的理论估计。结果表明确实可以产生净的吸引作用而相
21、应的激子超导转变温度竟达2200K。另外科学家们在长期的实践中，发现压强对超导电性有一定的影响。一般说来，非过度族金属的超导转变温度由于加压会有所降低，而有一些过度族金属及其合金在加压下，TC会升高。例如图15表示在0-160千帕压强范围内铅的TC随压强的变化，图中铅的TC下降了约一半。例如镧，它有两种晶体结构，其中六角密堆结构在室温下当压强约23千帕时，会变成面心立方结构。具有六角密排结构的镧，超导转变温度从P=0时的5.2K，增加到P=20千帕的8K左右。当镧转变为面心立方结构后，TC也随压强增加而增加。对于铌、钒、铀、钡、钇等，超导转变温度也是随压强增加而增加的。人们还发现一些没有超导电
22、性的元素在高压下居然变为超导元素了。例如半导电硅在在室温下于120千帕时变为金属态，然后在相同压强下温度降至6.7K时变为超导元素。上面所引起的现象已经足以引人深思：使用高压手段，超导转变温度是按照什么规律增加的呢？它又能增加到什么程度呢？随着研究的进展，超导材料的应用大致可分为三类：1.大电流应用（强电应用）：发电，输电和储能2.电子学应用（弱电应用）：超导计算机，滤波器，微波器件等3.抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等超导材料的应用超导材料的应用 超导磁体的应用超导磁体的应用过去在供电线路上启动一个大的常规电磁体耗电过多甚至会使一个城市的灯光变暗。利用超导磁体就没有这个问题了，一个五
23、万高斯的中型常规电磁体可重达20吨，而超导磁体只不过几十公斤。造成重量差别如此悬殊的主要原因是由于超导线的载流能力比普通导线高出成百上千倍的缘故，另外由于电阻产生热量的缘故，常规电磁体在磁场太高时，由于大电流产生的热量也较大，会导致电线绝缘体的熔解，这就造成了一个磁场强度最高限的问题。超导磁体发热量小，所以没有这个限制，同时体积和质量也较小，因此有很大的优势。超导磁体的诞生为物理学技术带来了重大的革新。在核物理、高能物理的研究中起到越来越重要的作用。科学研究中用超导体制造的离子加速器体积更小，加速效果也更好。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度成正比，用铜铁等制成常规电机由于受磁化电荷的
24、饱和强度所限，磁感应强度难以大幅增加。若采用超导材料，磁感应强度可提高5-15倍，而载流能力可以提高10-100倍。这样超导电机的输出功率就可以大大增加，同时电机重量也可以大大减轻。另外超导磁体的完全抗磁性还被应用于磁悬浮列车中，使列车通过抗磁作用悬浮空中，从而减小阻力增加运行时速。总之超导材料在变压器、空间技术、受控热核反应以及计算机方面等很多方面都能起到重大的作用，可见超导技术有着广阔的发展和应用空间。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，超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510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
25、提高50。超导发电机，拥有两万千瓦的功率300KW超导单极300发电机 完全导电性的运用完全导电性的运用超导体的零电阻性在电能输送、能源的节约上的运用仍然是最主要的运用之一。当前为了降低费用，长距离输电主要采用高压架空（HVOH）线路。现在实际运行的线路最高电压是单相765KV。随着电压的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市里这样的通道是很不经济，甚至是不可能的。然而超导电缆比任何技术上的竞争对手有较高的功率密度和较低超导输电线路 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
26、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。超导导线(含2120根微米直徑之铌钛合金纤维)电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分高温超导电缆的国际市场在2010年左右可望达到15亿美元铋系高温超导直流电缆 超导变压器超导电机超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。作用：1.增强电力系统的安全性；2.增加电力系统的可靠性；3.提高电力质量；4.能够与现有的电力系统保护设施兼容；5.通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性；6.减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用，延缓电力
27、设备的更新以降低成本；7.提高系统的运行容量。专家们预言，就高温超导体在电力系统中的应用而言，最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并预计，超导限流器的国际市场在2010年左右将可望达到35亿美元超导限流器超导储能超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。优点：1.可长期无损耗地储存能量，其转换效率可达95%；2.可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接，响应速度快（毫秒级）；3.由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取，可建成所需的大功率和大能量系统
28、；4.除了真空和制冷系统外没有转动部分，使用寿命长；5.在建造时不受地点限制，维护简单、污染小。目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力，并且有许多在建的超导储能装置。据预测，到2010年全世界对超导储能装置的需求将在15亿美元左右。超导储能装置抗磁性应用超导磁悬浮列车-零高度的飞行器 超导材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。若把超导材料放在一块永久磁体之上，由于磁体的磁力不能穿过超导体，磁体和超导体之间就会产生斥力，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。在列车车轮旁边安装小型超导磁体，在列车向前行驶时，超导磁体则向轨
29、道产生强大的磁场，并和安装在轨道两旁的铝环相互作用，产生一种向上浮力，消除车轮与钢轨的摩擦力，起到加快车速的作用。高温超导体在悬浮列车上应用的研究集中在日本。超导在运载上的其他应用可能还有用作轮船动力的超导电机、电磁空间发射工具及飞机悬浮跑道。原理德国磁悬浮列车 1999年月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。实验性行驶 西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里 2002年4月5日我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车，设计时速150公里 核聚变反应堆“磁封闭体”利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。核聚变反应时，内部温度高达
30、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。中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克HT-7巨大的电感线圈 原子弹爆炸蘑菇云另外，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。利用超导体介子发生器可以治疗癌症，利用超导磁体可以治疗脑血管肿瘤。Application in the biomedical science人头颅核磁共振成像超导技术在军事上有广泛的应用前景超导计算
31、机：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；超导探测器：利用超导器件对磁场和电磁辐射进行测量，灵敏度非常高，可用于探测地雷、潜艇，还可制成十分敏感的磁性水雷。超导红外毫米波探测器不仅灵敏度高，而且频带宽，探测范围可覆盖整个电磁频谱，填补现有探测器不能探测亚毫米波段信号的空白。利用超导器件制造的大型红外焦平面阵列探测器，可以探测隐身武器，将大大提高军事侦察能力。大功率发动机：这种发动机具有能量大、损耗小、重量轻、体积小等优点，可用作飞机、舰艇等的动力装置。超导储能系统：利用超导材料的高载流和零电阻特性，可制成体积小、重量轻、容量大的储能系统，用作粒子束武器、自由电子激光器、
32、电磁炮的能源。超导磁流体推进系统，为水面舰艇和潜艇的提供动力。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；核潜艇 图在航海中的应用，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；Make use of the superconductive technique can raise the accuracy that the guided missile ins the clout the target,also can with the guided missile that the shot ruin
33、 to strike;The precision system of the modern war leads the weapon,and the guided missile intercept the application that the system all cans not get away from the superconductive technique.精确制导武器的发射 Still have the electronics to resist moreover,the radar application study of etc.Early-warningEarly-warning machinemachineSUMMARY“我们还不能以正确的眼光看清最近科学的发展。当然，我们相信能够，我们真心地认为我们能够挑选出这个时代最有意义的发现，但整个过去的历史在那里证明，当代的判断总是靠不住的”。G.Sarton超导的历史相当的短暂。在这六，七十年中，最关键的技术难题已初步解放，坚冰正在突破，人类必将迎来“现代文明的一切技术都将由此发生变化”的超导技术开发时代。我们要积极备战，迎接这一超导技术开发时代的冲机和挑战。演讲完毕，谢谢观看！