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超导(物质状态)

1911年,荷兰莱顿大学的H卡茂林昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃(4.2K)时,汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,H卡茂林昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 [1]

人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流,从而产生超强磁场。

超导是指某些物质在一定温度条件下(一般为较低温度)电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H卡茂林昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态,其电阻小到实际上测不出来,他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。

1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质当金属处在超导状态时,超导体内的磁感应强度为零,却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现:锡球过渡到超导态时,锡球周围的磁场突然发生变化,磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

后来人们还做过这样一个实验:在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体,然后把温度降低,使锡盘出现超导性,这时可以看到,小磁铁竟然离开锡盘表面,慢慢地飘起,悬浮不动。

迈斯纳效应有着重要的意义,它可以用来判别物质是否具有超导性。

为了使超导材料有实用性,人们开始了探索高温超导的历程,从1911年至1986年,超导温度由水银的4.2K提高到23.22K(0K=-273.15℃;K开尔文温标,起点为绝对零度)。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K,12月30日,又将这一纪录刷新为40.2K,1987年1月升至43K,不久美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及大陆科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的“温度壁垒”(77K)也被突破了。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986年-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度提高了近100K。大约1993年,铊-汞-铜-钡-钙-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。高温超导体取得了巨大突破,使超导技术走向大规模应用。

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船,由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行,这将大大提高它们的速度和安静性,并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承,将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验,1987年开始,日本开始试运行,但经常出现失效现象,出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航,目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍,但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗,而利用超导体则可最大限度地降低损耗,但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段,从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展,新超导材料的不断涌现,超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态,但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨,且进入产业化运作,现已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等。

在我国关于超导的研发中,超导材料经营经历了低温到高温的研发,第一代材料已经研究成熟,第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好;超导产品品类逐渐增加,现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。虽然与国际尚有一定的差距,但部分领域的研发已经处于国际先进水平。

由于超导技术被认为将在一定程度上决定一个国家智能电网的竞争力,因此,对于超导产业而言,“十二五”期间,我国智能电网的全面建设将给该产业的发展提供良好的发展契机。

超导产业或将迎来“十年十倍”的快速增长,未来十年我国超导市场的规模约为1300-1600亿元,预计到2020年,该产值将达到750亿美元。

由于超导技术壁垒高,虽然各类超导材料企业以及电线电缆类生产企业相继进入超导产业市场,但全球仅少数研究机构掌握相关技术,且尚未有企业实现大规模商业化生产,市场呈现垄断格局,因此市场的最先进入者将因丰富的运行经验占据明显的优势地位,成为市场的领导者。

分类

超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素:在常压下有28种元素具超导电性,其中铌(Nb)的Tc最高,为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=7.201K),已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。② 合金材料: 超导元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr),其Tc为10.8K,Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金,虽然Tc稍低了些,但Hc高得多,在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc=11.0特;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K)。如今铌钛合金是用于7~8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金,性能进一步提高,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc=9.9K,Hc=12.4特(4.2K);Nb-70Ti-5Ta的性能是,Tc=9.8K,Hc=12.8特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24特;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30特。④超导陶瓷:20世纪80年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于1986年在镧-钡-铜-氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 [1]

应用

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约,这首先是它的临界参量,其次还有材料制作的工艺等问题(例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题)。到80年代,超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电(功率可达10000MVA);可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快10-20倍,功耗只有四分之一。

超导现象出现的基本标志是零电阻效应和迈斯纳效应,但还伴随着多种特征的出现。物体在低温出现超导现象仍然有一些问题没有弄清,但人们已经知道了很多。首先,有一些低温超导现象是由于电声作用,可以用BCS理论做出解释,而象铜基超导体、重费米子超导体中的超导原因,如今仍在研究之中。由于超导体对环境的要求非常高,如今它还只能在科学家们的实验室中进行,并不能够大规模的应用到我们的日常生活中,但科学的发展是永无止境的,科学家们还正朝着提高超导体的温度以达到将超导应用于生活中,为人类造福。相信随着科学的发展,超导一定会广泛地应用与我们的生活。到那时候,例如超导电缆、超导电机、超导储能器以及粒子加速器和受控热核反应的超大型强磁体;还有时速高达500多公里的超导磁悬浮列车,无摩擦超导陀螺仪,超导轴承等等。1962年,英国剑桥大学研究生布里安戴维约瑟夫森(1940~ 年)的一项重大发现,使超导应用更加令人眼花缭乱。这项发现叫做“约瑟夫森效应”,它使超导体可像半导体那样做成二极管、三极管和一种奇妙的探测器件超导量子干涉仪,用于弱磁场测量、超导计算机等微电子领域。可以设想,这些应用一旦实现,世界将改变模样:超导储能器收集太阳能,并将它储藏起来,通过强大的电网完好无损地把电流送往用户。 [1]

1911年卡末林昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失;后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下电阻突然消失的现象。昂内斯同时也声称低温下金属电阻的消失“不是逐渐的,而是突然的”。

1932年霍尔姆和卡末林昂内斯都在实验中发现,隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属,没有外加电压时也有电流流过。

1933年 荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质。

1935年 德国人伦敦兄弟提出了一个超导电性的唯象理论。

1950年 美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后,同时提出:超导电性是电子与声子相互作用而产生的。他们认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围,正离子被电子吸引而影响到正离子振动,并吸引其它电子形成了超导电流。接着,美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论,他们认为:在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对,无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体,电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量,因此超导体中基态和激发态之间存在能量差,即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在,成功地解释了超导现象,被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立,使超导研究进入了一个新的阶段。

1953年 毕派德推广了伦敦的概念并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值。

1960-1961年 美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验,直接观测到了超导能隙,证明了巴库斯理论。他在大量实验中,曾多次测量到零电压的超导电流,但未引起他的重视。

1962年 年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质,他提出在超导结中,电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流,这个现象称作直流约瑟夫逊效应。当外加直流电压为V时,除直流超导电流之外,还存在交流电流,这个现象称作交流约瑟夫逊效应。将超导体放在磁场中,磁场透入氧化层,这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。约瑟夫逊的这一重要发现为超导体中电子对运动提供了证据,使对超导现象本质的认识更加深入。约瑟夫森效应成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

70年代 超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体,地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时,车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极,使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进,时速可高达500千米。

1986年1月 在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒,首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。

1987年1月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。

1987年2月16日 美国国家科学基金会宣布,朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。

1987年2月20日中国也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日,日本宣布发现123K超导体。

1987年3月12日 中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。

1987年3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。

1987年12月30日 美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到140.2K

1987年 日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行。

1991年3月 日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。

1991年10月 日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培,为过去的3倍多,达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。

1992年1月27日 第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场,船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动,磁场和电流之间的洛伦兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段,但实验证明,这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命,就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。

1992年 一个以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备,于美国得克萨斯州建成并投入使用,耗资超过82亿美元。

1996年 改进高温超导电线的研究工作取得进展,制成了第一条地下输电电缆。欧洲电缆巨头皮雷利电缆公司、美国超导体公司和旧金山的电力研究所的工人,共同把6000米长的铋、锶、钙、铜和氧制成的线缠绕到一根保持超导温度的液氮的空管子上。

2001年4月,340米铋系高温超导线在清华大学应用超导研究中心研制成功,并于年末建成第一条铋系高温线材生产线。

2001年5月,北京有色金属研究总院采用自行设计研制的设备,成功地制备出国内最大面积的高质量双面钇钡铜氧超导薄膜,达到国际同类材料的先进水平

2001年7月,香港科技大学宣布成功开发出全球最细的纳米超导线。

我国超导临界温度已提高到零下120℃即153K左右 [1]


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