超導現象
隨著低溫技術的進步,為超導現象的發現提供了條件.1911年,荷蘭科學家昂尼斯和他的助手在測量汞的低溫電阻時發現:當溫度降到-269 ℃左右時,汞的電阻突然消失,也就是電阻變為零,以後還發現某材料,當溫度降到某一溫度時,電阻也會變為零,這種現象叫超導現象.能夠發生超導現象的物質叫超導體.通常把開始進入超導狀態的溫度稱為轉變溫度或臨界溫度,用Tc表示,當物質的溫度低於Tc時具有超導性,高於Tc時失去超導性.超導進展
幾十年來科學家一直期望有一天能夠得到在室溫下就能工作的超導材料,世界各國都掀起了研究新超導材料的高潮,直到1986年4月發現鋇一鑭氧化物製成的陶瓷材料具有35 K的轉變溫度,使超導體研究取得突破性進展,緊接著:1986年12月23日日本宣布研製出37.5 K的超導材料;
1986年12月25號美國貝爾實驗室獲得40 K的超導材料;
1986年12月26號中國科學院獲得48.6 K的超導材料;
1987年2月16號休斯頓大學美籍華人朱經武獲得98 K的超導材料;
1987年2月14號中國物理學家趙忠賢獲得110 K的超導材料;
1987年3月9號,日本宣布獲得175 K的超導材料;
1987年3月,中國科技大學獲得215 K的超導材料.
另一方面,自1987年4月開始,超導體研究的重心轉向超導體機制的理論探索和套用技術的開發,1990年4月北京有色金屬研究總院成功製成了2 T(特拉斯)強磁場下,臨界電流密度2.38×104 A/cm2;7月上海冶金所採用熔融結構法製成釔鋇銅氧塊狀超導材料,在77 K,2.5 T磁場下電流密度超過4×104 A/cm2,在世界處於領先地位;美國貝爾實驗室採用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體,使臨界電流密度提高了100倍,達6×105 A/cm2,美國馬薩諸薩理工學院用在超導材料中摻入銀等加熱處理的方法,解決了材料的脆弱問題,使強度比超導陶瓷提高了10倍,適用於作輸電線.我國則早已製成零電阻為83.7 K的超導材料和零電阻為77 K的超導薄膜.
超導體的物理特性
①零電阻是超導體的一個重要特性,實驗表明:超導狀態中零電阻現象不僅與超導體溫度有關,還與外磁場強度和通過超導體的電流有關,這意味著存在臨界電流,超過臨界電流就會出現電阻.②邁斯納效應——完全抗磁性
這種性質是1993年邁斯納研究超導態的磁性時發現的,即不管超導體內原來有無磁場,一旦進入超導態,超導體內的磁場一定等於零,即具有安全抗磁性,超導體的完全抗磁性會產生磁懸浮現象,磁懸浮現象在工程技術中有許多重要的套用,如用來製造磁懸浮列車和超導無摩擦軸承等.
超導技術的套用
超導技術的套用十分廣泛,涉及輸電,電機,交通運輸,微電子和電子計算機,生物工程,醫療,軍事等領域,這種新技術軍民兼用,可研製出"雙重"產品,將獲得極大的社會效益和軍事效益.①在電力工程方面的套用
超導輸電在原則上可以做到沒有焦耳熱的損耗,因而可節省大量能源;用超導線圈儲存能量在軍事上有重大套用,超導線圈用於發電機和電動機可以大大提高工作效率,降低損耗,從而導致電工領域的重大變革.
②超導技術在交通運輸方面的套用
動用超導體產生的強磁場可以研製成磁懸浮列車,車輛不受地面阻力的影響,可高速運行,車速達500 km/h以上,若讓超導磁懸浮列車在真空中運行,車速可達1 600 km/h,利用超導體製成無摩擦軸承,用於發射火箭,可將發射速度提高3倍以上.
③超導技術在電子工程方面的套用
用超導技術製成各種儀器,具有靈敏度高,噪聲低,反應快,損耗小等特點,如用超導量子干涉儀可確定地熱,石油,各種礦藏的位置和儲量,並可用於地震預報.
套用超導體製成計算機元件,開關速度可達到10-12 s,比半導體快1 000倍左右,而功耗僅為微瓦級,體積比半導體元件小1 000倍.用超導晶片製成超級計算機速度快,容量大,體積小,功耗低,美國IBM公司研製的一台運速為8 000萬次的超導計算機,體積只有電話機那么大.
④超導技術在生物醫療方面的套用
超導磁體在醫學上的重要套用是核磁共振成像技術,可分辨早期腫瘤癌細胞等,還可做心電圖,腦磁圖,肺磁圖,研究氣功原理等.
⑤超導技術在軍事上的套用
超導儲能裝置在定向武器上的套用使定向武器發生飛躍的發展.超導發電機,推進器在飛機上的套用可大大提高飛機的生存能力,在航海中的套用,可大大減小甚至沒有噪音,推進速度快,可大大提高艦艇的生存,作戰能力,超導計算機套用於C3I指揮系統,可使作戰指揮能力迅速改善提高等等.
隨著超導技術的不斷發展,高溫氧化物超導材料和有機物超導材料將不斷問世,目前超導還只套用在科學實驗和高技術中,例如中國科學院合肥電漿物理研究所,採用超導技術建成托卡馬克實驗裝置(磁約束裝置),放電300 ms,電流I=150 kA,使我國核聚變研究能力向前跨進一大步.
