第21卷第2期忻州師范學(xué)院學(xué)報(bào)Vol 21 No. 22005年4月JOURNAL OF XINZHOU TEACHERS UNIVERSITYApr.2005超導(dǎo)性及其應(yīng)用韓新華(忻州師范學(xué)院,山西忻州034000摘要:文章回顧了超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程,綜述了超導(dǎo)的主要性質(zhì),并較為詳細(xì)地介紹了超導(dǎo)典型的三類應(yīng)用,指出超導(dǎo)有著廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:超導(dǎo)性;零電阻特性;邁斯納效應(yīng);應(yīng)用中圖分類號(hào):O511.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-1491(2005)02-0022-021911年,奇妙的超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后很快引起了世界科學(xué)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變是可逆的,對(duì)超導(dǎo)樣品進(jìn)行加熱,當(dāng)超過(guò)臨界溫家的極大關(guān)注。在他們90年的艱辛探索中,更為全面地了度時(shí),樣品又恢復(fù)其正常的電阻率,與樣品的歷史無(wú)關(guān)解了超導(dǎo)的性質(zhì)并對(duì)其進(jìn)行了理論解釋,一次又一次地刷新2.2邁斯納效應(yīng)了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度,尤其是隨著高溫超導(dǎo)材料的不斷問(wèn)世,超從1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象后,人們普遍認(rèn)為導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛,應(yīng)用前景十分誘人超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)具有完全理想的導(dǎo)電性質(zhì),超導(dǎo)體在超1超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)態(tài)下是一種完全理想的導(dǎo)體。至于它的磁學(xué)性質(zhì),人們研1908年,荷蘭萊頓實(shí)驗(yàn)室在卡末林·昂納斯( Kamer究的并不深入。直到1933年,德國(guó)物理學(xué)家邁斯納(WLing Onnes)的指導(dǎo)下,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期努力后實(shí)現(xiàn)了氦氣的液化。 Meissner)和奧克森菲爾德(R. Ochsenfeld)通過(guò)對(duì)圍繞球形當(dāng)時(shí)他們測(cè)定在一個(gè)大氣壓下氮的液化點(diǎn)是4.2K使萊頓導(dǎo)體—晶體錫的磁場(chǎng)分布的精心測(cè)量驚奇地發(fā)現(xiàn):無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室獲當(dāng)時(shí)世界上所能達(dá)到的最低溫度。很久以來(lái)人們先降溫后加磁場(chǎng),還是先加磁場(chǎng)后降溫,只要錫球過(guò)渡到超已經(jīng)知道金屬的電阻率隨溫度的降低而減小,所以昂納斯導(dǎo)態(tài),在錫球周圍的磁場(chǎng)就會(huì)突然發(fā)生變化,磁力線似乎一決定研究一下在他們所達(dá)到的新低溫區(qū)內(nèi)金屬電阻變化的下子被排斥在超導(dǎo)體之外。也就是說(shuō),超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)規(guī)律。1911年2月,昂納斯教授和他的學(xué)生在做水銀電阻與態(tài),它就像一個(gè)理想抗磁體把體內(nèi)的磁力線排斥在體外,而溫度的變化關(guān)系時(shí)意外地發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度下降到4.2K時(shí),水銀在超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度保持為零。超導(dǎo)體的這種特殊的電阻突然降為零。這是人們第一次看到的超導(dǎo)電性。隨后他性質(zhì)被后人稱為“邁斯納效應(yīng)又發(fā)現(xiàn)錫和鉛也有此種現(xiàn)象。1913年,昂納斯第一次使用了2.3超導(dǎo)態(tài)并非僅取決于溫度“超導(dǎo)電性”( Superconductivity)一詞,他指出:“水銀在4K進(jìn)昂納斯在嘗試用超導(dǎo)線圈繞制超導(dǎo)電磁鐵以產(chǎn)生強(qiáng)磁入一個(gè)新的狀態(tài),因其特殊的電性質(zhì)可以稱之為超導(dǎo)態(tài)?！卑簣?chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)超導(dǎo)鉛線中的電流超過(guò)某一臨界值l時(shí),鉛線納斯教授因這一發(fā)現(xiàn)獲得1913年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),他是獲得就由超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài);1914年他又用實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)于溫度諾貝爾獎(jiǎng)的第一位低溫物理學(xué)家低于臨界溫度Tc的超導(dǎo)體,當(dāng)外磁場(chǎng)超過(guò)某一值H時(shí)超導(dǎo)2超導(dǎo)的幾個(gè)主要性質(zhì)態(tài)就被破壞?？梢?jiàn),超導(dǎo)態(tài)不僅與溫度有關(guān),還與外磁場(chǎng)和2.1零電阻特性超導(dǎo)體中的電流有關(guān)。超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc是在無(wú)磁場(chǎng)的條件對(duì)于許多物質(zhì),當(dāng)溫度高于臨界溫度Tc時(shí),處于正常下,從正常態(tài)過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)的臨界溫度。要使導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài),電阻不為零,服從一般金屬導(dǎo)體電阻的變化規(guī)律;到低于態(tài),必須將其置于Tc、、H以下,任何一個(gè)條件被破壞,超臨界溫度Tc時(shí)則電阻降為零該物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。導(dǎo)體中導(dǎo)態(tài)就會(huì)消失沒(méi)有了電阻電流在導(dǎo)體中毫無(wú)阻力地流過(guò),電流流經(jīng)導(dǎo)體3超導(dǎo)的主要應(yīng)用時(shí)不發(fā)生熱損耗。零電阻特性是所有超導(dǎo)體的一個(gè)共性。土陽(yáng)出了導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用范圍不同的超導(dǎo)材料,臨界溫度值往往不同。而且,昂納斯還發(fā)所以中國(guó)煤化工直致力于提高材料CNMHG收稿日期:2004-09-01作者簡(jiǎn)介:韓新華(1973-),女,山西繁峙人,忻州師范學(xué)院物電系講師,碩士,從事物理學(xué)研究。第2期韓新華:超導(dǎo)性及其應(yīng)用的臨界溫度。經(jīng)過(guò)科學(xué)家的努力研究,高溫超導(dǎo)材料不斷問(wèn)體技術(shù),要進(jìn)一步提高其運(yùn)算速度,會(huì)造成芯片發(fā)熱,這些熱世,使超導(dǎo)技術(shù)走向廣泛應(yīng)用,其應(yīng)用前景十分誘人。超導(dǎo)量不僅會(huì)影響半導(dǎo)體材料的性能甚至?xí)p壞內(nèi)部元件。普的應(yīng)用大致分為三類:強(qiáng)電應(yīng)用(大電流應(yīng)用);弱電應(yīng)用(電通計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高受到了散熱的障礙。超導(dǎo)計(jì)算機(jī)子技術(shù)應(yīng)用);抗磁性應(yīng)用。中電流通過(guò)超導(dǎo)元件時(shí)不發(fā)熱,也不損耗,超導(dǎo)集成電路中3.1強(qiáng)電應(yīng)用的功耗是普通硅集成電路的幾百分之一。所以超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)體的零電阻特性使其可承載大電流,而且無(wú)熱損是很有發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮咚?、低耗、高性能?jì)算機(jī)。日本耗,并在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。在超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后,人們首先ETL研究所已于1991年研制成世界上第一臺(tái)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。想到的就是超導(dǎo)體的強(qiáng)電應(yīng)用,在電力工業(yè)上應(yīng)用非常廣利用約瑟夫遜結(jié)可制成精密的超導(dǎo)磁場(chǎng)計(jì),它能分辨泛如超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)儲(chǔ)能以及超導(dǎo)輸電等。其10-14T~10-15T的磁場(chǎng),可以測(cè)量極弱的磁場(chǎng)及磁場(chǎng)微小中超導(dǎo)輸電和超導(dǎo)儲(chǔ)能更為矚目。的變化,測(cè)量精度比其他儀器高3~4個(gè)數(shù)量級(jí)。超導(dǎo)磁場(chǎng)由于傳統(tǒng)的電力輸送過(guò)程中,送電、變電、配電的每一步計(jì)成功地應(yīng)用于軍事學(xué)、地質(zhì)勘探、海洋資源探測(cè)、地震預(yù)報(bào)都有電阻存在,大量的電力在輸送過(guò)程中被白白浪費(fèi)了,而等領(lǐng)域。且為了在遠(yuǎn)距離送電時(shí)克服電阻還要用非常高的電壓。而3.3抗磁性應(yīng)用通過(guò)超導(dǎo)電纜來(lái)輸電具有損耗低、容量大、無(wú)污染等明顯優(yōu)利用超導(dǎo)材料的抗磁性,將超導(dǎo)體置于一塊永久磁體上勢(shì),是解決大容量低損耗輸電的重要途徑。1998年我國(guó)第一方,由于磁體的磁力線被超導(dǎo)體排斥在外,磁體和超導(dǎo)體之根1m/1KA高溫超導(dǎo)電纜研制成功。2004年7月10日,由間產(chǎn)生排斥力,而使超導(dǎo)體懸于磁體上方,利用這個(gè)原理可國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)線材制造的我國(guó)第一組超導(dǎo)電纜在昆明正式并網(wǎng)制作超導(dǎo)懸浮列車。由于是在無(wú)摩擦的狀態(tài)下,超導(dǎo)懸浮列運(yùn)行,這標(biāo)志著繼美國(guó)、丹麥之后我國(guó)成為世界上第三個(gè)將車具有阻力小,速度快,平穩(wěn),舒服,且無(wú)噪聲、無(wú)廢氣污染的超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。特點(diǎn),是一種非常理想的列車。1972年日本首次成功地進(jìn)行超導(dǎo)儲(chǔ)能是利用超導(dǎo)閉合線圈作為儲(chǔ)能器,在線圈中通了22噸的超導(dǎo)磁懸浮列車實(shí)驗(yàn)。日本在山梨縣建成了18以電流將電磁能儲(chǔ)存起來(lái),在需要的時(shí)候作電網(wǎng)峰值負(fù)載補(bǔ)4公里的超導(dǎo)磁懸浮列車試驗(yàn)線,1999年4月超導(dǎo)磁懸浮列償或發(fā)生故障時(shí)供電。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置能長(zhǎng)期無(wú)損耗地儲(chǔ)存車在試驗(yàn)線上創(chuàng)造了時(shí)速552公里的世界紀(jì)錄。2000年12能量,轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。月31日西南交通大學(xué)研制成功世界上第一輛載人“高溫超3.2弱電應(yīng)用導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車”它標(biāo)志著我國(guó)在高溫超導(dǎo)磁懸浮科學(xué)研超導(dǎo)技術(shù)另一方面的重要應(yīng)用就是利用超導(dǎo)隧道效應(yīng)究與實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到世界領(lǐng)先水平支撐的約瑟夫遜器件(約瑟夫遜結(jié))制作超導(dǎo)計(jì)算機(jī)和各種此外超導(dǎo)材料的抗磁性還應(yīng)用于超導(dǎo)重力儀,超導(dǎo)重力靈敏的探測(cè)器儀可非常靈敏地確定重力加速度的變化。其工作原理是利1962年,英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫遜提出了超導(dǎo)隧道效應(yīng)原用持續(xù)電流方式運(yùn)行的超導(dǎo)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng),把特制的超理:當(dāng)通過(guò)約瑟夫遜結(jié)(超導(dǎo)體—絕緣體—超導(dǎo)體)的電導(dǎo)球懸浮起來(lái)。由測(cè)定球體的垂直位置的變化,來(lái)確定重力流低于臨界電流時(shí),結(jié)兩端不出現(xiàn)電壓降;當(dāng)電流高于臨界電的變化(責(zé)編:翟保評(píng))流時(shí)結(jié)兩端產(chǎn)生幾毫伏的電壓降,通過(guò)控制電流可使結(jié)在兩參考文獻(xiàn)種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。[1]方進(jìn).超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用前景展望[J].物理通報(bào),2000,利用約瑟夫遜結(jié)可制成邏輯電路,由此制作的超導(dǎo)計(jì)算(9):43機(jī)同普通計(jì)算機(jī)相比有許多優(yōu)點(diǎn):首先是其運(yùn)算速度快。超[2]沈建民略談超導(dǎo)研究[J物理教師,2001,(4):33-34導(dǎo)開(kāi)關(guān)的速度已達(dá)幾微微秒(1微微秒=10-12秒),這樣使超[3]周云淺談超導(dǎo)性[J]現(xiàn)代物理知識(shí),2003,(6):48-導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比現(xiàn)在已有的計(jì)算機(jī)提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí);再者,超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的功耗低。普通計(jì)算機(jī)大多采用半導(dǎo)Superconductivity and its applicationshAn Xin-huaXinzhou Teachers University, Xinzhou 034000, China)Abstract: The discovery of superconductivity is looked back, chd many applications of superconductivity are introduced in detaYH中國(guó)煤化工CNMHGoutcation foreground of superconductivity is very wideKey words: superconductivity; zero-resistance characteristic; the Meissner effect; applications