超导及超导材料的应用

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　　超导及超导材料的应用ok3;当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关,定义在外部环境条件(电流,磁场和应力等)维持在足够低的数值时,测得的超导转变温度称为超导临界温度。2.2迈斯纳效应1933年,迈斯纳(eissner)发现:当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时,原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外(见下图),超导体内磁感应强度变为零,这表明超导体是完全抗磁体,这个现象称为迈斯纳效应。迈斯纳效应示意图实验表明,超导态可以被外磁场所破坏,在低于TC的任一温度T下,当外加磁场强度H小于某一临界值HC时,超导态可以保持;当H大于HC时,超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC,其值与材料组成和环境温度等有关。超导材料性能由临界温度TC和临界磁场HC两个参数决定,高于临界值时是一般导体,低于此数值时成为超导体。2.3同位素效应超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M 越大,TC越低,这称为同位素效应。参考。例如,原子量为199.55的汞同位素,它的TC是4.18开,而原子量为203.4的汞同位素,TC为4.146开。M与TC有近似关系:=常数2.4约瑟夫森效应当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时,超导电子(对)能通过极薄的绝缘层,这种现象称为约瑟夫森(Josephson)效应,相应的装置称为约瑟夫森器件。如图所示。当通以低于临界电流值I0时,在绝缘薄层上的电压为零,但当电流I>I0时,会从超导态转变为正常态,出现电压降,呈现有阻态,这种器件具有显着的非线性电阻特性,可制成高灵敏度的磁敏感器件,应用在超高速计算机等场合。3超导材料及应用3.1低温超导材料具有低临界转变温度(Tc<30K=在液氦温度条件下工作的超导材料,分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌),Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β 相固溶体,Tc在9K以上。低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中,NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等;Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场(710T)磁体外,还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体;用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器,已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低,必须在液氦温度下使用,运转费用昂贵,故其应用受到限制。3.2高温超导材料具有高临界转变温度()在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物,高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用的温度从液氦提高到了液氮(77K)温区。同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应用带来了极大的方便。另外,高温超导体都具有相当高的上临界场(Hc2(4K)>50T),能够用来产生20T以上的强磁场,这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。高温超导材料用途非常广泛,大致可分三大类:大电流应用、电子学应用和抗磁性应用.大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得的稳定强磁场.可用于制交流超导发电机,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高到5万~6万高斯并没有能量损失,且单机发电容量比常规发电机提高5~10倍达1兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3发电效率提高50﹪ ;可用于磁流发电机,利用高温导电性气体作导体不,并高速通过5万~6万高斯强磁场而发电,而且这种发电机具有结构简单和高温导电性气体可重复利用的优点;可利用超导输电线路利用超导导线和变压器可以几乎无损耗地输送电能,椐统计,按目前情况,如果将铜或铝导改为超导体,光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂.超导材料在这些方面的应用是最诱人的;电子学应用包包括超导计算机、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.目前,超导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信,随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展,它将会在许多高科技领域获得重要应用。4结语超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术由于超导材料能影响人类生存的许多重要领域,各国的材料科学家都在竞相探索它的结构,研究它的性能,以求率先找到具有高临界温度的超导材料。可以这样说,高温超导材料的突破,必将深刻地促进尖端科学技术的发展,从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花,必将带来一个缤纷的世界。[参考文献][1]马文蔚,苏惠惠等.物理学原理在工程中技术中的应用[M].北京:高等教育出版社,1992.[2]李斌.新科技启蒙[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2001.