超導(dǎo)體及其現(xiàn)實應(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)強度要大幅度增加有困難，若用超導(dǎo)磁體，磁感應(yīng)強度可提高5～15倍；故超導(dǎo)電機的輸出功率可以大大提高，高達102～103倍。高溫超導(dǎo)的實現(xiàn)將給電力工業(yè)帶來重大的變革。由于超導(dǎo)電性的獨特性質(zhì)，它將被應(yīng)用在發(fā)電，輸電、儲電和用電的各個領(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)儲能 一、超導(dǎo)研究的進展 1911年荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)，當溫度降至絕對溫度4.2K時，汞（水銀）的電阻突然變?yōu)榱�。人們把電阻為零時的狀態(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)生很強的磁場。因為，即使臨界溫度Tc，但通過超導(dǎo)體的電流超過某一臨界值Ic，或磁場超過某一臨界值Hc時都會破壞超導(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。1986年4月聯(lián)邦德國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，他們在發(fā)現(xiàn)陶瓷材料超導(dǎo)性方面取得重要突破。 1987年美、中、日、蘇及歐洲等國家的學(xué)者不斷的創(chuàng)造了高溫超導(dǎo)的記錄，中國科學(xué)院物理研究所趙忠堯等人做出了突出的貢獻，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)實作用 高溫超導(dǎo)的實現(xiàn)將給電力工業(yè)帶來重大的變革。由于超導(dǎo)電性的獨特性質(zhì)，它將被應(yīng)用在發(fā)電，輸電、儲電和用電的各個領(lǐng)域中。 �。ㄒ唬┏瑢�(dǎo)磁體。用鐵磁材料制成的永磁鐵，它兩極附近的磁場，只能達7007～8000高斯，由于受鐵磁材料性質(zhì)的限制，要提高磁場強度很困難；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，用通電流的銅絲圈，它產(chǎn)生的磁場高達10萬高斯，由于熱損失嚴重，需耗電達1600千瓦，且每分鐘需用于冷卻的水量達4.5噸。超導(dǎo)磁體不需水冷卻，耗電極小，幾萬高斯的磁體只需功率幾百瓦。5萬高斯的銅線圈磁體重達20噸，而超導(dǎo)磁體只有幾百公斤。此外，超導(dǎo)磁體的時間穩(wěn)定性、空間均勻性和磁場梯度都比通常的磁體高很多。 �。ǘ┏瑢�(dǎo)電機。世界上發(fā)電機趨向于大容量，目前單機容量已達100萬千瓦，本世紀末可達1000萬千瓦。發(fā)電機的輸出功率與電機中磁場的磁感應(yīng)強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)強度要大幅度增加有困難，若用超導(dǎo)磁體，磁感應(yīng)強度可提高5～15倍；常規(guī)導(dǎo)線允許通過的電流密度為102～103安培/平方厘米，而超導(dǎo)線載流能力可達工104安培/平方厘米，故超導(dǎo)電機的輸出功率可以大大提高，高達102～103倍（常規(guī)電機50萬千瓦重達500噸，而超導(dǎo)電機100萬千瓦的總重也只有100噸。從造價估計，就用液氦的低溫建造100萬千瓦的發(fā)電機也可以與常規(guī)電機進行競爭。由于超導(dǎo)電機（包括電動機）具有輸出功率高，重量輕、體積小，耗損小等優(yōu)點，對航海、航空是更為理想的動力設(shè)備。 �。ㄈ┦芸�?zé)岷司圩儼l(fā)電。核聚變是較輕原子核相遇時聚合為較重的原子核并釋放出巨大能量的過程，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現(xiàn)。受控?zé)岷司圩儼l(fā)電是要使核聚變在人工的控制下進行，并且按需要提供能量。理論研究表明，要實現(xiàn)受控?zé)岷司圩儽仨殱M足二個條件。一是要有極高溫度，約達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能，足以克服原子核之間的庫侖斥力，發(fā)生核聚變反應(yīng)；二是要有一個“容器”來裝這些等離子體，讓它們進行反應(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)成磁籠的磁場應(yīng)分布在足夠大的空間，且強度高、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驗使用電化學(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，里面置放鉑陽極和鈀陰極，然后在兩個電極上通上電流。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，實驗取得了意外的成功。 �。ㄋ模┏瑢�(dǎo)電纜。電能在零電阻時輸送是完全沒有損耗的。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）已有實驗性電纜。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)電纜的實際應(yīng)用是可以實現(xiàn)的。 （五）超導(dǎo)儲能。有人將一個圓環(huán)置于磁場中，降溫至圓環(huán)材料的臨界溫度下，撤去磁場，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，電流便會持續(xù)下去，一點也不衰減，經(jīng)過2年半這電流還是絲毫不衰減。這是—種理想的儲能裝置，稱超導(dǎo)儲能。 超導(dǎo)儲能的優(yōu)點很多，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，要在瞬時提供數(shù)10億到100億焦耳的能量，這就需要超導(dǎo)儲能裝置來承擔(dān)。如在大電網(wǎng)輸電中，負荷小時，把多余的電能儲存起來，負荷大時，把電能送回電網(wǎng)，若把超導(dǎo)儲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 [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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