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历史上的超导现象及其发展历程

发布日期:2020-06-04 05:54 浏览次数:

此为研究为了减少摩擦而做出各种轴承,会不会能够研制出无摩擦的轴承?火车在固定的轨道上行驶,能不能有一天让火车也像飞机那样飞起来。每年由于传输电力而在传输电缆上损耗的能量约占总能量的30%,是否会出现一种无电阻的传输介质将其取代。如此等等,已经不再是科学家的幻想的事情了,这些状况已经或即将成为现实。如当今现有的磁悬浮列车运用超导完全抗磁性的特性使得最高速度可以达到每小时500km以上,比轮轨高速列车还要快很多,并且得益于低温技术的发现发展,目前在实验室中已经找到了电阻为零的导电介质。

近年来,随着材料科学的高速发展,超导材料的性能不断被优化、被提升,实验中的超导临界温度变得越来越高。经过长期的发展,现在超导材料的研究主要集中在超导输电线缆,超导变压器等电力系统方面,并且还利用超导材料可以形成强磁场,如磁悬浮列车,另外超导材料在医学,生物学领域也取得很大成就;未来,超导材料将会向实用化发展;总体来说主要集中于生活发展方面。超导体大致分为:元素超导体、合金和化合物超导体、有机高分子超导体。超导材料性能有:零电阻性、完全抗磁性、约瑟夫森效应等。下述主要介绍超导体的历史、特性、微观理论、应用及其发展的阻碍。

荷兰物理学家昂内斯长期致力于低温物理的研究中,他设法降低温度使那些很难液化的气体,如氦气,变成液体。在他的不倦的努力下终于得到了回报,1908年他迎来了难忘的一天。他成功地获得了液氦的温度,即4.2K的低温(零度=273.15K),后来他又获得了1.04K的低温。与此同时,他利用这种得天独厚的优越条件,仔细地观察了各种物质在低温下的一些特性。1911年,神奇而惊人的现象出现了,他发现当把水银的温度下降到4.2K(这个温度被称为临界温度)时,水银的电阻率突然下降为零的程度。这种由于温度下降到临界温度Tc时的金属突然失去电阻的现象就被称为超导电性。经过这些年的发展又相继发现了超导的超导磁场、空间技术、超导电子计算机、可控热核反应等特性。

人们把在超低温度的条件下,电阻突然消失的状况及现象叫做超导现象。开始进入超导状态的温度被称为转变温度或临界温度,用Tc表示,当物质的温度低于Tc时具有超导性,高于Tc时失去超导性。

在低温铅环中激荡电流,稳恒了两年的电流无明显衰减,由此可推算出电阻的上限为十的负二十三次方Ω*M,从而证明了超导体的电阻确实存在为零的时刻。

由于超导体在一定条件下电阻可以转变为零,所以超导体内不存在定向的电场,因为如果存在电场,那便会对电荷不断加速,使得导体内的电流越来越大,而从具体的实验上观察的结果表明,最终往往得到的都是稳恒的电流,由此可见超导体内不存在电场。根据麦克斯韦方程▽*E=-σB/σt可知,超导内部磁场不随时间而改变,它的值是由初始条件决定。

麦克斯韦效应:将一个圆柱形样品缠上线圈,之后加一垂直于底面的磁场,指针瞬间偏转一个角度,此时会产生瞬间的电流,当温度下降到临界温度时,发现产生了与之前大小相等、方向相反的电流,说明超导体的磁通量瞬间减少。结果表明,在磁场中发生超导转变时,磁通量完全被排斥到样品之外,即在超导体内部是不存在磁场的。

对于超导的唯象理论,最著名的模型是二流体模型,该模型是由戈特和卡西米尔两人于1934年根据超导态的实验现象提出的。BOS的理论把超导现象看作一种宏观量子效应,它提出,金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓的“库伯对”,库伯对在晶格当中可以无损耗的运动,形成超导电流且这两个电子之间存在弱束缚力的净吸引力。

(1)超导态的电子可以分为正常电子nN和超导电子ns,正常电子所形成的电流是有一定的电阻,而超导电子所形成的电流是没有电阻的。此外,只要有超导电子出现,就会存在零电阻的现象。

(2)两种类型的电子都会随着温度变化而变化,当TTc时,材料处于正常状态,且ns=0;当TTc时,一部分正常电子转变为超导电子,随温度的降低ns随之增大,当T=0K时,全部电子都是超导电子。

(3)超导相变是二级相变,超导电子处在能量更低的有序状态,超导电子的存在对熵没有贡献,它的存在使得超导态比正常态更加有序,所以能够稳定存在。

无论是当代的科学研究还是现代工业,都需要研制出大尺度、强磁场、低消耗的磁体,但是现有的材料制成的磁体却不能全面满足这样的要求。而且用铁磁材料制成的永磁体,它的两极附近的磁场也只能达到0.7-0.8T;由于受铁芯磁饱和效应的限制影响,电磁铁也只能产生2.5T的磁场;就算是用通以大电流的铜线圈,它产生的磁场虽然可以高达10T,但消耗电功率达1600KW,且每分钟需用4.5吨的水来进行冷却,并且体积庞大也是它的一个缺点,一个能产生5T的铜线圈就重达20吨。

用超导线圈来制成磁体却能做到大尺度、强磁场、低消耗的要求。例如可以产生几百特斯拉的超导体只需要消耗几百瓦的电能(主要用于维持超导材料需要的低温),它的重量也只有几百千克,而且还不需要消耗大量的冷却水进行冷却。目前,世界上制造成的超导磁体已经可以产生高达17T的磁场.此外,超导磁体所产生的磁场,无论是在持久工作稳定性上,还是在大空间范围内的均匀性和磁场阶梯等方面都要比普通磁体强得多。目前,超导磁体已被广泛运用于高能物理、磁悬浮列车和医用核磁共振成像设备中,并且,在未来新能源磁流体发电机中和在受控核聚变中用于约束等离子体。在大尺度范围内产生强磁场的超导磁体必将在未来发挥重要作用,而由于高温超导材料的研制成功,可以预计,高温超导磁体的应用将会更加广泛。

电能在零电阻输送时是完全没有什么损耗的,这无疑是用超导电缆进行电力输送最充分的条件。将超导电缆用于超高压特大容量的电力传输时,在技术上是完全可行的一种方法,虽然目前还存在很多问题,然而由于世界能源的日益枯竭和对电力需求的爆炸式增长、超导材料临界温度的提高,超导电缆在传输电力时,无能量损耗的优势正在吸引越来越多的人去开发利用。

将一个超导圆环置于磁场中,降温至圆环材料的临界温度以下,加一磁场,由于电磁感应,圆环中便产生感生电流。只要温度保持在临界温度以下,电流便会持续下去,并且由已有实验表明,这种电流的衰减时间不低于10万年,这显然是一种理想的储能装置,这种储能现象被称为超导储能。超导储能的优点有很多,主要优点有功率大、重量轻、体积小、损耗小、反应快等,并且,超导储能还可用于电网中,当电网中的负荷小时,会把多余的电能储存起来,而负荷大时又会把电能送回到电网中,这样就可以避免用电高峰和低谷时的供求矛盾的特殊情况。

利用超导材料的约瑟夫森效应制成的各种超导电子器件,其中对磁场的电磁辐射的灵敏度比常规半导体器件要高出上千倍。将这一特性用作计算机的开关元件,它的开关速度被提升到只需要几皮秒钟,比一般半导体器件开关的速度要快1000倍左右,而且功损却只有半导体器件的千分之一。因此,超导计算机的特点就是运算速度快,功耗小,不存在散热问题。

1、临界温度Tc过低,现在研究的最高的温度可达到140K以上,但是还是不方便直接大量地投入实际应用中。

2、临界磁场过低,临界电流过小。自发现第二类超导体后,使得临界磁场可以提高到大约20T,初步解决了问题。

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