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超導(dǎo)體及其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用
【摘 要】由于低溫的獲得極為困難，不僅設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，成本也極為昂貴，因此，人們渴望取得高溫超導(dǎo)體。常規(guī)的磁性材料受磁性飽和的限制，故磁感應(yīng)強(qiáng)度要大幅度增加有困難，若用超導(dǎo)磁體，磁感應(yīng)強(qiáng)度可提高5～15倍；故超導(dǎo)電機(jī)的輸出功率可以大大提高，高達(dá)102～103倍。高溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)將給電力工業(yè)帶來(lái)重大的變革。由于超導(dǎo)電性的獨(dú)特性質(zhì)，它將被應(yīng)用在發(fā)電，輸電、儲(chǔ)電和用電的各個(gè)領(lǐng)域中。 【關(guān)鍵詞】超導(dǎo)體；超導(dǎo)態(tài)；臨界溫度；超導(dǎo)電性；超導(dǎo)儲(chǔ)能 一、超導(dǎo)研究的進(jìn)展 1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降至絕對(duì)溫度4.2K時(shí)，汞（水銀）的電阻突然變?yōu)榱恪Ｈ藗儼央娮铻榱銜r(shí)的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，相應(yīng)的溫度稱為該物質(zhì)的超導(dǎo)臨界溫度，用Tc表示。昂尼斯曾想，水銀的電阻為零，可以通以很大的電流而不發(fā)熱，這便可產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)。因?yàn)�，即使臨界溫度Tc，但通過(guò)超導(dǎo)體的電流超過(guò)某一臨界值Ic，或磁場(chǎng)超過(guò)某一臨界值Hc時(shí)都會(huì)破壞超導(dǎo)態(tài)，而變?yōu)槌B(tài)，因而物質(zhì)的三臨界常數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的。 由于低溫的獲得極為困難，不僅設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，成本也極為昂貴，因此，人們渴望取得高溫超導(dǎo)體。從1911年至1973年超導(dǎo)體臨界溫度由4.2K升到23.2K，以每三年多提高一度的速度前進(jìn)。1986年4月聯(lián)邦德國(guó)人貝德諾爾茨和瑞士人米勒發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物（Be-La-Cu-O）的超導(dǎo)臨界溫度為35K。由此，他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)陶瓷材料超導(dǎo)性方面取得重要突破。 1987年美、中、日、蘇及歐洲等國(guó)家的學(xué)者不斷的創(chuàng)造了高溫超導(dǎo)的記錄，中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠堯等人做出了突出的貢獻(xiàn)，把超導(dǎo)臨界溫度提高到90K，這意味著可以不使用液氦（4.2K），超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用展現(xiàn)出新的美好前景。 二、超導(dǎo)體在電力工業(yè)上的現(xiàn)實(shí)作用 高溫超導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)將給電力工業(yè)帶來(lái)重大的變革。由于超導(dǎo)電性的獨(dú)特性質(zhì)，它將被應(yīng)用在發(fā)電，輸電、儲(chǔ)電和用電的各個(gè)領(lǐng)域中。 （一）超導(dǎo)磁體。用鐵磁材料制成的永磁鐵，它兩極附近的磁場(chǎng)，只能達(dá)7007～8000高斯，由于受鐵磁材料性質(zhì)的限制，要提高磁場(chǎng)強(qiáng)度很困難；電磁鐵由于鐵芯磁飽和效應(yīng)的限制，也只能產(chǎn)生25000高斯的磁場(chǎng)，用通電流的銅絲圈，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)高達(dá)10萬(wàn)高斯，由于熱損失嚴(yán)重，需耗電達(dá)1600千瓦，且每分鐘需用于冷卻的水量達(dá)4.5噸。超導(dǎo)磁體不需水冷卻，耗電極小，幾萬(wàn)高斯的磁體只需功率幾百瓦。5萬(wàn)高斯的銅線圈磁體重達(dá)20噸，而超導(dǎo)磁體只有幾百公斤。此外，超導(dǎo)磁體的時(shí)間穩(wěn)定性、空間均勻性和磁場(chǎng)梯度都比通常的磁體高很多。 �。ǘ┏瑢�(dǎo)電機(jī)。世界上發(fā)電機(jī)趨向于大容量，目前單機(jī)容量已達(dá)100萬(wàn)千瓦，本世紀(jì)末可達(dá)1000萬(wàn)千瓦。發(fā)電機(jī)的輸出功率與電機(jī)中磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度和電摳的電流密度成正比。常規(guī)的磁性材料受磁性飽和的限制，故磁感應(yīng)強(qiáng)度要大幅度增加有困難，若用超導(dǎo)磁體，磁感應(yīng)強(qiáng)度可提高5～15倍；常規(guī)導(dǎo)線允許通過(guò)的電流密度為102～103安培/平方厘米，而超導(dǎo)線載流能力可達(dá)工104安培/平方厘米，故超導(dǎo)電機(jī)的輸出功率可以大大提高，高達(dá)102～103倍（常規(guī)電機(jī)50萬(wàn)千瓦重達(dá)500噸，而超導(dǎo)電機(jī)100萬(wàn)千瓦的總重也只有100噸。從造價(jià)估計(jì)，就用液氦的低溫建造100萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)也可以與常規(guī)電機(jī)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。由于超導(dǎo)電機(jī)（包括電動(dòng)機(jī)）具有輸出功率高，重量輕、體積小，耗損小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)航海、航空是更為理想的動(dòng)力設(shè)備。 �。ㄈ┦芸�?zé)岷司圩儼l(fā)電。核聚變是較輕原子核相遇時(shí)聚合為較重的原子核并釋放出巨大能量的過(guò)程，人工的核聚變只能在氫彈爆炸或加速器產(chǎn)生的高能粒子碰撞中實(shí)現(xiàn)。受控?zé)岷司圩儼l(fā)電是要使核聚變?cè)谌斯さ目刂葡逻M(jìn)行，并且按需要提供能量。理論研究表明，要實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩儽仨殱M足二個(gè)條件。一是要有極高溫度，約達(dá)108K，在這樣高溫度下，原子早已電離成自由電子和帶正電的原予核的等離子體，并且原子核具有很大的動(dòng)能，足以克服原子核之間的庫(kù)侖斥力，發(fā)生核聚變反應(yīng)；二是要有一個(gè)“容器”來(lái)裝這些等離子體，讓它們進(jìn)行反應(yīng)。這么高的溫度什么材料的容器都承受不了，科學(xué)家們想利用磁約束原理，把高溫等離子體限制在固定的空間范圍內(nèi)，即磁籠。要構(gòu)成磁籠的磁場(chǎng)應(yīng)分布在足夠大的空間，且強(qiáng)度高、梯度大，耗損小，這就只有超導(dǎo)磁體才能解決。 弗策布曼和龐斯的實(shí)驗(yàn)使用電化學(xué)技術(shù)，具體做法是在15厘米高的試管里裝滿含有氫的同位素氘的重水，溫度為27℃，試管外部絕緣，里面置放鉑陽(yáng)極和鈀陰極，然后在兩個(gè)電極上通上電流。他們驚奇地發(fā)展，氘在電流作用下釋放出大量的熱，其釋放的能量為輸入能量的4倍，并發(fā)現(xiàn)氚和中子數(shù)量增加，實(shí)驗(yàn)取得了意外的成功。 �。ㄋ模┏瑢�(dǎo)電纜。電能在零電阻時(shí)輸送是完全沒(méi)有損耗的。目前由于低溫的獲得比較困難，但它必將是超導(dǎo)體的重要應(yīng)用。在液氮低溫（4.2K）已有實(shí)驗(yàn)性電纜。用于超高壓特大容量的電力傳輸，技術(shù)上是完全可能的，經(jīng)濟(jì)上是特別合算的，現(xiàn)在已出現(xiàn)高溫超導(dǎo)體，臨界溫度達(dá)90K。顯然，應(yīng)用液氮（4.2K）的方法獲得低溫要容易得多，故超導(dǎo)電纜的實(shí)際應(yīng)用是可以實(shí)現(xiàn)的。 �。ㄎ澹┏瑢�(dǎo)儲(chǔ)能。有人將一個(gè)圓環(huán)置于磁場(chǎng)中，降溫至圓環(huán)材料的臨界溫度下，撤去磁場(chǎng)，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中便有感生電流產(chǎn)生，只要溫度仍保持臨界溫度以下，電流便會(huì)持續(xù)下去，一點(diǎn)也不衰減，經(jīng)過(guò)2年半這電流還是絲毫不衰減。這是—種理想的儲(chǔ)能裝置，稱超導(dǎo)儲(chǔ)能。 超導(dǎo)儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)很多，主要有功率大，重量輕，體積小，損耗小，反應(yīng)快等等。因此，應(yīng)用也很多，如激光儀器，要在瞬時(shí)提供數(shù)10億到100億焦耳的能量，這就需要超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置來(lái)承擔(dān)。如在大電網(wǎng)輸電中，負(fù)荷小時(shí)，把多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，負(fù)荷大時(shí)，把電能送回電網(wǎng)，若把超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置建在用電中心，也可節(jié)省很多輸電線，也節(jié)省了大量的電能。 總之，超導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、科學(xué)發(fā)展的必要手段之一。 參考文獻(xiàn) [1] 馮端.凝聚態(tài)物理學(xué)[M].人民教育出版社，2008. [2] 黃昆，謝希德.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].科學(xué)出版社，1958. [3] 王林.超導(dǎo)體將為人類造福[M].大象出版社，2011.
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