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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。因?yàn)椋词古R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(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(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。 。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(dá)7007~8000高斯,由于受鐵磁材料性質(zhì)的限制,要提高磁場強(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,用通電流的銅絲圈,它產(chǎn)生的磁場高達(dá)10萬高斯,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,幾萬高斯的磁體只需功率幾百瓦。5萬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)100萬千瓦,本世紀(jì)末可達(dá)1000萬千瓦。發(fā)電機(jī)的輸出功率與電機(jī)中磁場的磁感應(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)50萬千瓦重達(dá)500噸,而超導(dǎo)電機(jī)100萬千瓦的總重也只有100噸。從造價(jià)估計(jì),就用液氦的低溫建造100萬千瓦的發(fā)電機(jī)也可以與常規(guī)電機(jī)進(jìn)行競爭。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侖斥力,發(fā)生核聚變反應(yīng);二是要有一個(gè)“容器”來裝這些等離子體,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。 (五)超導(dǎo)儲(chǔ)能。有人將一個(gè)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(huì)持續(xù)下去,一點(diǎn)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(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,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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