淺談超導及超導材料的應用
摘要：超導是超導電性的簡稱,是指某些物體當溫度下降至一定溫度時,電阻突然趨近于零的現象。具有這種特性的材料稱為超導材料.自超導發現至今,超導的研究和超導材料的研制已迅速發展,超導的臨界溫度已從開始的幾開升至幾十開甚至一百多開。但人們相信,隨著超導材料臨界溫度的提高和材料加工技術的發展,它將會在許多高科技領域獲得重要應用。
關鍵詞:超導,超導材料,臨界溫度
超導是超導電性的簡稱,是指某些物體當溫度下降至一定溫度時,電阻突然趨近于零的現象。具有這種特性的材料稱為超導材料.自超導發現至今,超導的研究和超導材料的研制已迅速發展,超導的臨界溫度已從開始的幾開升至幾十開甚至一百多開;而且超導材料的物質結構及性質已逐漸研究清楚。以液態氮溫度下低溫超導材料的研究與發展獲得了成功,且已實現商品化,在醫療、電子輸送、運輸等方面獲得應用;高溫超導材料的發現,是最近幾十年來物理學及材料科學領域中的重大突破之一,已引起全世界廣泛關注,各國眾多科學工作者參與超導的研究與發展工作,人們將很快會感受到它給社會帶來的巨大變革。
1 超導材料的研究進展
1911年一個叫昂尼斯的荷蘭物理學家做了一個試驗,他把水銀冷卻到-40℃時,亮晶晶的液體水銀像“結冰”一樣變成了固體,然后,他把水銀拉成細絲,并繼續降低溫度,同時測量不同溫度下固體水銀的電阻。當他把溫度降到絕對溫度4K(相當于-269℃)時,一個奇怪的現象出現了,即水銀的電阻突然變成了零。這個奇怪現象不僅昂尼斯自己很感意外,而且轟動了物理學界,后來科學家把這個現象叫超導現象,把電阻等于零的材料叫超導材料。昂尼斯和許多科學家后來又發現了28種超導元素和8000多種超導化合物。但出現超導現象時的溫度大都接近絕對零度,也就是-273℃的極低溫,沒有太大的實用可能性和經濟價值。為了尋找可在比較高的溫度下有超導現象的材料,世界上無數科學家為之奮斗了近60年,直到1973年,英美一些科學家才找到一種在23K(-25O℃)溫度出現超導現象的鈮-鍺合金。此后這一紀錄又保持了10多年。參考。在無數人為尋找在高溫下有超導現象的材料時,幸運的貝特諾茨和繆勒在瑞士國際商用公司實驗室工作時,終于發現一種鑭銅鋇氧陶瓷材料在43K(-230℃)的較高溫度下出現了超導現象,前聯邦德國人貝特諾茨和美國人繆勒立即成了在科學界引起轟動的新聞人物。為此,他們獲得1987年的諾貝爾物理學獎。此后,美籍華人學者朱經武、中國物理學家趙忠賢領導的研究小組相繼發現了在98K(-175℃)和78.5K(-194.5℃)有超導現象的超導材料。更令人振奮的是,美國和日本等科學家在1991年又發現了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后,也有超導性。參考。有些科學家預測,球狀分子碳60經過摻金屬后,將來有可能在室溫下出現超導現象,那時,超導材料就有可能像半導體材料一樣,在世界引起一場工業革命和科技革命。
2超導材料的主要特性
2.1 零電阻效應
材料在一定溫度以下,其電阻為零的現象稱為材料的超導電現象。在一定溫度下具有零電阻超導電現象的材料,稱為超導體(Superconductor)。1911年荷蘭著名低溫物理學家昂納斯(H.K.Onnes)發現在T=4.1k下汞具有超導電性。采用“四引線電阻測量法”可測出超導體的R-T特性曲線,如圖所示。
圖中的為電阻開始急劇減小時的電阻值,對應的溫度稱為起始轉變溫度TS;當電阻減小到Rn/2時的溫度稱為中點溫度TM;當電阻減小至零時的溫度為零電阻溫度T0。由于超導體的.轉變溫度還與外部環境條件有關,定義在外部環境條件(電流,磁場和應力等)維持在足夠低的數值時,測得的超導轉變溫度稱為超導臨界溫度。
2.2 邁斯納效應
1933年,邁斯納(W.Meissner)發現:當置于磁場中的導體通過冷卻過渡到超導態時,原來進入此導體中的磁力線會一下子被完全排斥到超導體之外(見下圖),超導體內磁感應強度變為零,這表明超導體是完全抗磁體,這個現象稱為邁斯納效應。
邁斯納效應示意圖
實驗表明,超導態可以被外磁場所破壞,在低于TC的任一溫度T下,當外加磁場強度H小于某一臨界值HC時,超導態可以保持;當H大于HC時,超導態會被突然破壞而轉變成正常態。臨界磁場強度HC,其值與材料組成和環境溫度等有關。 超導材料性能由臨界溫度TC和臨界磁場HC兩個參數決定,高于臨界值時是一般導體,低于此數值時成為超導體。
2 .3 同位素效應
超導體的臨界溫度TC與其同位素質量M有關。M 越大,TC越低,這稱為同位素效應。參考。例如,原子量為199.55的汞同位素,它的TC是4.18開,而原子量為203.4的汞同位素,TC為4.146開。M與TC有近似關系: =常數 2 .4 約瑟夫森效應 當在兩塊超導體之間存在一塊極薄的絕緣層時,超導電子(對)能通過極薄的絕緣層,這種現象稱為約瑟夫森(Josephson)效
應,相應的裝置稱為約瑟夫森器件。如圖所示。
當通以低于臨界電流值I0時,在絕緣薄層上的電壓為零,但當電流II0時,會從超導態轉變為正常態,出現電壓降,呈現有阻態,這種器件具有顯著的非線性電阻特性,可制成高靈敏度的磁敏感器件,應用在超高速計算機等場合。
3 超導材料及應用
3 .1低溫超導材料
具有低臨界轉變溫度(Tc30K=在液氦溫度條件下工作的超導材料,分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導金屬是Nb(鈮),Tc為9.3K已制成薄膜材料用于弱電領域。合金系低溫超導材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體,Tc在9K以上。低溫超導材料已得到廣泛應用。在強電磁場中,NbTi超導材料用作高能物理的加速器、探測器、等離子體磁約束、超導儲能、超導電機及醫用磁共振人體成像儀等;Nb3Sn超導材料除用于制作大量小型高磁場(710T)磁體外,還用于制作受控核聚變裝置中數米口徑的磁體;用Nb及NbN薄膜制成的低溫儀器,已用于軍事及醫學領域檢測極弱電磁信號。低溫超導材料由于Tc低,必須在液氦溫度下使用,運轉費用昂貴,故其應用受到限制。
3.2 高溫超導材料
具有高臨界轉變溫度()在液氮溫度條件下工作的超導材料,主要為多元系氧化物,高溫氧化物超導體的出現,突破了溫度壁壘,把超導應用的溫度從液氦提高到了液氮(77K)溫區。同液氦相比,液氮是一種非常經濟的冷媒,并且具有較高的熱容量,給工程應用帶來了極大的方便。另外,高溫超導體都具有相當高的上臨界場(Hc2(4K) 50T),能夠用來產生20T以上的強磁場,這正好克服了常規低溫超導材料的不足之處。高溫超導材料用途非常廣泛,大致可分三大類:大電流應用、電子學應用和抗磁性應用. 大電流應用
是由于超導材具有零電阻和完全的抗磁性,因此只需消耗極少的電能,就可以獲得的穩定強磁場.可用于制交流超導發電機,利用超導線圈磁體可以將發電機的磁場提高到5萬~6萬高斯并沒有能量損失,且單機發電容量比常規發電機提高5~10倍達1兆瓦,而體積卻減少1/2,整機重量減輕1/3發電效率提高50﹪;可用于磁流發電機,利用高溫導電性氣體作導體不,并高速通過5萬~6萬高斯強磁場而發電,而且這種發電機具有結構簡單和高溫導電性氣體可重復利用的優點;可利用超導輸電線路利用超導導線和變壓器可以幾乎無損耗地輸送電能,椐統計,按目前情況,如果將銅或鋁導改為超導體,光是在中國節省電能相當于新建數十個大型發電廠. 超導材料在這些方面的應用是最誘人的;電子學應用包包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等; 抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等.目前,超導材料仍處于試驗研究階段。但人們相信,隨著超導材料臨界溫度的提高和材料加工技術的發展,它將會在許多高科技領域獲得重要應用。
4 結語
超導材料的研究是當今世界上一門新興的科學技術由于超導材料能影響人類生存的許多重要領域,各國的材料科學家都在競相探索它的結構,研究它的性能,以求率先找到具有高臨界溫度的超導材料。可以這樣說,高溫超導材料的突破,必將深刻地促進尖端科學技術的發展,從而加速人類文明的進程。含苞待放的超導之花,必將帶來一個繽紛的世界。
[ 參 考 文 獻]
[1] 馬文蔚,蘇惠惠等.物理學原理在工程中技術中的應用[M].北京:高等教育出版社,1992.
[2 ] 李斌 . 新科技啟蒙[M]. 北京 :中國勞動社會保障出版社,2001.
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