超导及超导材料的应用

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超导是超导电性的简称,是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今,超导的研究和超导材料的研制已迅速发展,超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开。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。

关键词:超导,超导材料,临界温度

超导是超导电性的简称,是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今,超导的研究和超导材料的研制已迅速发展,超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开;而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功,且已实现商品化,在医疗、电子输送、运输等方面获得应用;高温超导材料的发现,是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一,已引起全世界广泛关注,各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作,人们将很快会感受到它给社会带来的巨大变革。

1 超导材料的研究进展

1911年一个叫昂尼斯的荷兰物理学家做了一个试验,他把水银冷却到-40℃时,亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体,然后,他把水银拉成细丝,并继续降低温度,同时测量不同温度下固体水银的电阻。当他把温度降到绝对温度4K(相当于-269℃)时,一个奇怪的现象出现了,即水银的电阻突然变成了零。这个奇怪现象不仅昂尼斯自己很感意外,而且轰动了物理学界,后来科学家把这个现象叫超导现象,把电阻等于零的材料叫超导材料。昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度,也就是-273℃的极低温,没有太大的实用可能性和经济价值。为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料,世界上无数科学家为之奋斗了近60年,直到1973年,英美一些科学家才找到一种在23K(-25O℃)温度出现超导现象的铌-锗合金。此后这一纪录又保持了10多年。参考。在无数人为寻找在高温下有超导现象的材料时,幸运的贝特诺茨和缪勒在瑞士国际商用公司实验室工作时,终于发现一种镧铜钡氧陶瓷材料在43K(-230℃)的较高温度下出现了超导现象,前联邦德国人贝特诺茨和美国人缪勒立即成了在科学界引起轰动的新闻人物。为此,他们获得1987年的诺贝尔物理学奖。此后,美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤领导的研究小组相继发现了在98K(-175℃)和78.5K(-194.5℃)有超导现象的超导材料。更令人振奋的是,美国和日本等科学家在1991年又发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后,也有超导性。参考。有些科学家预测,球状分子碳60经过掺金属后,将来有可能在室温下出现超导现象,那时,超导材料就有可能像半导体材料一样,在世界引起一场工业革命和科技革命。

2超导材料的主要特性

2.1 零电阻效应

材料在一定温度以下,其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料,称为超导体(Superconductor)。1911年荷兰着名低温物理学家昂纳斯(H.K.Onnes)发现在T=4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R-T特性曲线,如图所示。

图中的为电阻开始急剧减小时的电阻值,对应的温度称为起始转变温度TS;当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度TM;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(W.Meissner)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.