超导体及其现实应用

由于低温的获得极为困难，不仅设备技术复杂，成本也极为昂贵，因此，人们渴望取得高温超导体。常规的磁性材料受磁性饱和的限制，故磁感应强度要大幅度增加有困难，若用超导磁体，磁感应强度可提高5～15倍；故超导电机的输出功率可以大大提高，高达102～103倍。高温超导的实现将给电力工业带来重大的变革。由于超导电性的独特性质，它将被应用在发电，输电、储电和用电的各个领域中。 　　超导体；超导态；临界温度；超导电性；超导储能 　　一、超导研究的进展 　　1911年荷兰物理学家昂尼斯发现，当温度降至绝对温度4.2K时，汞（水银）的电阻突然变为零。人们把电阻为零时的状态称为超导态，相应的温度称为该物质的超导临界温度，用Tc表示。昂尼斯曾想，水银的电阻为零，可以通以很大的电流而不发热，这便可产生很强的磁场。因为，即使临界温度Tc，但通过超导体的电流超过某一临界值Ic，或磁场超过某一临界值Hc时都会破坏超导态，而变为常态，因而物质的三临界常数是相互关联的。 　　由于低温的获得极为困难，不仅设备技术复杂，成本也极为昂贵，因此，人们渴望取得高温超导体。从1911年至1973年超导体临界温度由4.2K升到23.2K，以每三年多提高一度的速度前进。1986年4月联邦德国人贝德诺尔茨和瑞士人米勒发现钡镧铜氧化物（Be-La-Cu-O）的超导临界温度为35K。由此，他们在发现陶瓷材料超导性方面取得重要突破。 　　1987年美、中、日、苏及欧洲等国家的学者不断的创造了高温超导的记录，中国科学院物理研究所赵忠尧等人做出了突出的贡献，把超导临界温度提高到90K，这意味着可以不使用液氦（4.2K），超导技术的应用展现出新的美好前景。 　　二、超导体在电力工业上的现实作用 　　高温超导的实现将给电力工业带来重大的变革。由于超导电性的独特性质，它将被应用在发电，输电、储电和用电的各个领域中。 　　（一）超导磁体。用铁磁材料制成的永磁铁，它两极附近的磁场，只能达7007～8000高斯，由于受铁磁材料性质的限制，要提高磁场强度很困难；电磁铁由于铁芯磁饱和效应的限制，也只能产生25000高斯的磁场，用通电流的铜丝圈，它产生的磁场高达10万高斯，由于热损失严重，需耗电达1600千瓦，且每分钟需用于冷却的水量达4.5吨。超导磁体不需水冷却，耗电极小，几万高斯的磁体只需功率几百瓦。5万高斯的铜线圈磁体重达20吨，而超导磁体只有几百公斤。此外，超导磁体的时间稳定性、空间均匀性和磁场梯度都比通常的磁体高很多。 　　（二）超导电机。世界上发电机趋向于大容量，目前单机容量已达100万千瓦，本世纪末可达1000万千瓦。发电机的输出功率与电机中磁场的磁感应强度和电抠的电流密度成正比。常规的磁性材料受磁性饱和的限制，故磁感应强度要大幅度增加有困难，若用超导磁体，磁感应强度可提高5～15倍；常规导线允许通过的电流密度为102～103安培/平方厘米，而超导线载流能力可达工104安培/平方厘米，故超导电机的输出功率可以大大提高，高达102～103倍（常规电机50万千瓦重达500吨，而超导电机100万千瓦的总重也只有100吨。从造价估计，就用液氦的低温建造100万千瓦的发电机也可以与常规电机进行竞争。由于超导电机（包括电动机）具有输出功率高，重量轻、体积小，耗损小等优点，对航海、航空是更为理想的动力设备。 　　（三）受控热核聚变发电。核聚变是较轻原子核相遇时聚合为较重的原子核并释放出巨大能量的过程，人工的核聚变只能在氢弹爆炸或加速器产生的高能粒子碰撞中实现。受控热核聚变发电是要使核聚变在人工的控制下进行，并且按需要提供能量。理论研究表明，要实现受控热核聚变必须满足二个条件。一是要有极高温度，约达108K，在这样高温度下，原子早已电离成自由电子和带正电的原予核的等离子体，并且原子核具有很大的动能，足以克服原子核之间的库仑斥力，发生核聚变反应；二是要有一个“容器”来装这些等离子体，让它们进行反应。这么高的温度什么材料的容器都承受不了，科学家们想利用磁约束原理，把高温等离子体限制在固定的空间范围内，即磁笼。要构成磁笼的磁场应分布在足够大的空间，且强度高、梯度大，耗损小，这就只有超导磁体才能解决。 　　弗策布曼和庞斯的实验使用电化学技术，具体做法是在15厘米高的试管里装满含有氢的同位素氘的重水，温度为27℃，试管外部绝缘，里面置放铂阳极和钯阴极，然后在两个电极上通上电流。他们惊奇地发展，氘在电流作用下释放出大量的热，其释放的`能量为输入能量的4倍，并发现氚和中子数量增加，实验取得了意外的成功。 　　（四）超导电缆。电能在零电阻时输送是完全没有损耗的。目前由于低温的获得比较困难，但它必将是超导体的重要应用。在液氮低温（4.2K）已有实验性电缆。用于超高压特大容量的电力传输，技术上是完全可能的，经济上是特别合算的，现在已出现高温超导体，临界温度达90K。显然，应用液氮（4.2K）的方法获得低温要容易得多，故超导电缆的实际应用是可以实现的。 　　（五）超导储能。有人将一个圆环置于磁场中，降温至圆环材料的临界温度下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中便有感生电流产生，只要温度仍保持临界温度以下，电流便会持续下去，一点也不衰减，经过2年半这电流还是丝毫不衰减。这是—种理想的储能装置，称超导储能。 　　超导储能的优点很多，主要有功率大，重量轻，体积小，损耗小，反应快等等。因此，应用也很多，如激光仪器，要在瞬时提供数10亿到100亿焦耳的能量，这就需要超导储能装置来承担。如在大电网输电中，负荷小时，把多余的电能储存起来，负荷大时，把电能送回电网，若把超导储能装置建在用电中心，也可节省很多输电线，也节省了大量的电能。 　　总之，超导体的广泛应用是人类实现可持续发展、科学发展的必要手段之一。 　　参考文献 　　[1] 冯端.凝聚态物理学[M].人民教育出版社，2008. 　　[2] 黄昆，谢希德.半导体物理学[M].科学出版社，1958. 　　[3] 王林.超导体将为人类造福[M].大象出版社，2011.