低溫下的物理效應(yīng)幻燈片.ppt

物理效應(yīng)及其應(yīng)用 1 低溫下的量子效應(yīng) 2 第五講低溫下的量子效應(yīng) 熱運(yùn)動(dòng)往往掩蓋量子效應(yīng) 大多數(shù)量子效應(yīng)都要在低溫條件下觀察 所以獲取低溫的效應(yīng)是低溫下量子效應(yīng)的關(guān)鍵 絕熱膨脹制冷效應(yīng) 在絕熱膨脹過(guò)程中 與外界無(wú)熱交換 但對(duì)外做功 只得靠減小氣體內(nèi)能來(lái)補(bǔ)償 內(nèi)能減少 分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)動(dòng)能減少 即溫度下降 焦 湯效應(yīng) 氣體通過(guò)小孔有節(jié)制地從高壓向低壓流動(dòng)的過(guò)程稱為節(jié)流過(guò)程 在節(jié)流過(guò)程中氣體溫度隨壓強(qiáng)變化的現(xiàn)象稱為焦耳 湯姆孫效應(yīng) 節(jié)流膨脹溫度下降 產(chǎn)生制冷效應(yīng) 制冷過(guò)程都是是系統(tǒng)有序度增加熵減少的過(guò)程 熵排出機(jī) 3 第五講低溫下的量子效應(yīng) 激光冷卻與捕陷原子以往低溫多在固體或液體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn) 這些系統(tǒng)都包含著有較強(qiáng)的相互作用的大量粒子 20世紀(jì)80年代 借助于激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫 例如 10 10K 狀態(tài) 這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻 絕熱去磁制冷效應(yīng) 借助磁場(chǎng)使某些順磁鹽中的電子自旋磁矩排列有序 等溫磁化減少熵 再進(jìn)行絕熱去磁 使順磁鹽的溫度降低 4 第五講低溫下的量子效應(yīng) 導(dǎo)體 容易導(dǎo)電的物體 室溫下金屬導(dǎo)體的電阻率10 8 m 10 6 m 絕緣體 不容易導(dǎo)電的物體 室溫下絕緣的電阻率108 m 1018 m 這種低溫下的零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象 一 超導(dǎo)現(xiàn)象 Superconductivity 具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體 1911年 荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林 昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn) 將汞冷卻到 268 98 C時(shí) 汞的電阻突然消失 后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性 由于它的特殊導(dǎo)電性能 卡茂林 昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài) 卡茂林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng) 這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng) 在他之后 人們開(kāi)始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為 超導(dǎo)體 超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失 被稱作零電阻效應(yīng) 導(dǎo)體沒(méi)有了電阻 電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗 電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中流大的電流 從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng) 5 第五講低溫下的量子效應(yīng) 臨界溫度TC 超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?TTC 為普通金屬態(tài) 迄今已知 超導(dǎo)體的電阻率遠(yuǎn)小于10 25 cm 而00C普通導(dǎo)體的電阻率為1 6 10 6 cm 臨界磁場(chǎng)HC T 磁場(chǎng)超過(guò)HC T 時(shí) 即使T TC 普通金屬態(tài) 超導(dǎo)態(tài) 相平衡曲線 汞電阻隨溫度變化 6 第五講低溫下的量子效應(yīng) 電流可以持續(xù)地存在下去 零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)基本性質(zhì)之一 7 第五講低溫下的量子效應(yīng) 具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體 超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟冉谐瑢?dǎo)臨界溫度 至今已發(fā)現(xiàn)有28種元素 幾千種合金和化合物是超導(dǎo)體 超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時(shí) 不僅其內(nèi)的電阻為零 而體內(nèi)的磁場(chǎng)也為零 表現(xiàn)出完全的抗磁性 長(zhǎng)期以來(lái) 人們發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體只能在低溫液氦區(qū) 4K左右 工作 這就需要許多低溫設(shè)備和技術(shù) 費(fèi)用很高且不方便 因而限制了超導(dǎo)體的應(yīng)用 60年代開(kāi)始 人們一直在探索把超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫區(qū) 77K 以上的辦法 這就是高溫超導(dǎo)研究 1986年高溫超導(dǎo)研究取得了突破性的發(fā)展 科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了許多高溫超導(dǎo)物質(zhì) 現(xiàn)在高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已達(dá)到130K左右 使超導(dǎo)體已走出了液氦的陰影 為人類挖掘超導(dǎo)電性所隱藏的寶藏開(kāi)辟了廣闊的前景 8 第五講低溫下的量子效應(yīng) 1986年4月發(fā)現(xiàn)鋇一鑭氧化物制成的陶瓷材料具有35K的轉(zhuǎn)變溫度 1986年12月23日日本宣布研制出37 5K的超導(dǎo)材料 1986年12月25號(hào)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得40K的超導(dǎo)材料 1986年12月26號(hào)中國(guó)科學(xué)院獲得48 6K的超導(dǎo)材料 1987年2月16號(hào)休斯頓大學(xué)美籍華人朱經(jīng)武獲得98K的超導(dǎo)材料 1987年2月14號(hào)中國(guó)物理學(xué)家趙忠賢獲得110K的超導(dǎo)材料 1987年3月9號(hào) 日本宣布獲得175K的超導(dǎo)材料 1987年3月 中國(guó)科技大學(xué)獲得215K的超導(dǎo)材料 1933年 荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì) 當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí) 這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感興強(qiáng)度為零 卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去 對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí) 錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化 磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了 人們將這種現(xiàn)象稱之為 邁斯納效應(yīng) 9 第五講低溫下的量子效應(yīng) 邁斯納效應(yīng) 完全抗磁性 金屬球沿不同路徑在正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間轉(zhuǎn)換 10 第五講低溫下的量子效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明 不管是先降溫后加磁場(chǎng) 還是先加磁場(chǎng)后降溫 使金屬由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí) 磁場(chǎng)力線將全部排擠出超導(dǎo)體外 超導(dǎo)體內(nèi)恒有磁感應(yīng)強(qiáng)度B 0 這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng) 完全抗磁性的反映 超導(dǎo)懸浮 超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)變?yōu)榱銜r(shí) 由于電流沿超導(dǎo)體表面流過(guò) 這表面電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)抵償?shù)慕Y(jié)果 11 第五講低溫下的量子效應(yīng) 1913年翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn) 當(dāng)在超導(dǎo)線中的電流超過(guò)某一臨界值時(shí) 超導(dǎo)線轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài) 1914年他又用實(shí)驗(yàn)表明 超導(dǎo)態(tài)也可以被外加磁場(chǎng)破壞 相應(yīng)的電流稱為臨界電流Ic 相應(yīng)的磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)Hc 左圖為Nb3Sn的磁場(chǎng) 電流與溫度的關(guān)系 在無(wú)外加磁場(chǎng)情況下 臨界電流在超導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好等于臨界磁場(chǎng) 臨界電流 12 第五講低溫下的量子效應(yīng) BCS理論是用量子力學(xué)來(lái)描述超導(dǎo)體系統(tǒng)狀態(tài)的理論 1957年 美國(guó)依利諾伊大學(xué)的物理學(xué)家巴丁 庫(kù)柏和施里弗提出了這一理論 后來(lái)以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫字母命名 稱之為BCS理論 這一理論的核心是計(jì)算出導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài) 即存在 電子對(duì) 稱為庫(kù)柏對(duì) Cooper spairs 該理論較好地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象 正常態(tài)的電子是互相排斥的 超導(dǎo)態(tài)時(shí) 電子相互作用 使電子兩兩相互吸引 形成電子對(duì) 稱之庫(kù)柏對(duì) 含有庫(kù)柏對(duì)電子的金屬具有較低的能態(tài) 量子力學(xué)可以說(shuō)明電子對(duì)的總動(dòng)量在與金屬正離子碰撞時(shí)不損失 在低能態(tài)下 庫(kù)柏對(duì)電子就像無(wú)阻力的流體一樣易于流動(dòng) 因此巴丁 庫(kù)珀 施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎(jiǎng) 特征參數(shù) 臨界溫度TC 臨界磁場(chǎng)HC T 臨界電流密度jc 超導(dǎo)電性 0 B 0 13 第五講低溫下的量子效應(yīng) 庫(kù)柏對(duì) 的產(chǎn)生因?yàn)榻饘僦械碾娮硬⒉煌耆杂?他們通過(guò)點(diǎn)陣相互發(fā)生相互作用 即當(dāng)一個(gè)自由電子吸引鄰近的點(diǎn)陣離子時(shí) 鄰近的點(diǎn)陣離子會(huì)向自由電子靠攏 是晶格發(fā)生畸變 局部正電荷密度變大 局部正電荷性 吸引別的電子 僅效果是一個(gè)自由電子和另一個(gè)自由電子互相吸引 低溫時(shí)兩個(gè)自由電子束縛成一個(gè)集團(tuán) 電子對(duì) 庫(kù)柏對(duì) 在室溫下 金屬中不可能有大量自由電子組成穩(wěn)定的電子對(duì) 因?yàn)榫Ц耠x子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞瞬間存在的分子軌道 使自由電子不可能組成穩(wěn)定的電子對(duì) 自由電子組成的電子對(duì)通過(guò)晶格運(yùn)動(dòng)時(shí)不受阻力 是因?yàn)楫?dāng)電子對(duì)中的一個(gè)電子受到晶格的散射 或偏析 而改變其動(dòng)量時(shí) 另一個(gè)電子也同時(shí)要受到影響而發(fā)生相反的動(dòng)量改變 其結(jié)果是自由電子組成的電子對(duì)定向運(yùn)動(dòng)的總動(dòng)量不變 所以晶格既不能減慢也不能加快自由電子組成的電子對(duì)的定向運(yùn)動(dòng) 在宏觀上表現(xiàn)為超導(dǎo)體對(duì)電流的電阻為零 14 第五講低溫下的量子效應(yīng) 1962年約瑟夫森正在英國(guó)劍橋大學(xué)當(dāng)研究生 他從理論上作出預(yù)言 對(duì)于超導(dǎo)體 絕緣層 超導(dǎo)體互相接觸的結(jié)構(gòu) 也叫S I S結(jié)構(gòu) 只要絕緣層足夠薄 超導(dǎo)體內(nèi)的電子對(duì)就有可能穿透緣層勢(shì)壘 導(dǎo)致如下效應(yīng) 1 在恒定電壓下 既有直流超導(dǎo)電流產(chǎn)生 也有交流超流 其頻率為2eV h 2 在零電壓下 有直流超流產(chǎn)生 這一電流對(duì)磁場(chǎng)非常敏感 磁場(chǎng)加大 電流將迅速減小 3 如果在直流電壓上再疊加一交流電壓 其頻率為v 則會(huì)出現(xiàn)一零斜率的電阻區(qū) 在這個(gè)區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分 電壓V與v的關(guān)系為2eV h nv 其中n為整數(shù) 15 第五講低溫下的量子效應(yīng) 1962年英國(guó)劍橋大學(xué)研究生約瑟夫遜推測(cè)BCS理論提到的庫(kù)柏對(duì)也可通過(guò)薄絕緣層 即 電子對(duì) 能穿過(guò)薄絕緣層 隧道效應(yīng) 在薄絕緣層隔開(kāi)的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過(guò) 同時(shí)還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象 如電流通過(guò)薄絕緣層無(wú)需加電壓 倘若加電壓 電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩 這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為 約瑟夫遜效應(yīng) 這些預(yù)言于1963年在美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室被羅威爾等人用試驗(yàn)證實(shí)了 約瑟夫遜效應(yīng) 有力的支持了 BCS理論 約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng) 二 約瑟夫森效應(yīng) 16 第五講低溫下的量子效應(yīng) 正常電子隧道 當(dāng)兩塊金屬被一個(gè)薄的絕緣體分開(kāi)時(shí) 在它們之間可以有電流通過(guò) 稱此金屬 絕緣體 金屬疊層為隧道結(jié) 電流稱為隧道電流 N I N結(jié) 超導(dǎo)隧道 當(dāng)一塊金屬變成一個(gè)超導(dǎo)體時(shí)結(jié)電阻猛烈地增加 N I S結(jié) 單電子隧道 超導(dǎo)隧道 相同超導(dǎo)體之間的隧道 雙電子隧道 S I S結(jié) 三 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛 涉及輸電 電機(jī) 交通運(yùn)輸 微電子和電子計(jì)算機(jī) 生物工程 醫(yī)療 軍事等領(lǐng)域 這種新技術(shù)軍民兼用 可研制出 雙重 產(chǎn)品 將獲得極大的社會(huì)效益和軍事效益 17 第五講低溫下的量子效應(yīng) 在電力工程方面的應(yīng)用 超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗 因而可節(jié)省大量能源 用超導(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用 超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率 降低損耗 從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革 超導(dǎo)技術(shù)在交通運(yùn)輸方面的應(yīng)用 動(dòng)用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以研制成磁懸浮列車 車輛不受地面阻力的影響 可高速運(yùn)行 車速達(dá)500km h以上 若讓超導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運(yùn)行 車速可達(dá)1600km h 利用超導(dǎo)體制成無(wú)摩擦軸承 用于發(fā)射火箭 可將發(fā)射速度提高3倍以上 超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器 具有靈敏度高 噪聲低 反應(yīng)快 損耗小等特點(diǎn) 如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?石油 各種礦藏的位置和儲(chǔ)量 并可用于地震預(yù)報(bào) 18 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù) 可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等 還可做心電圖 腦磁圖 肺磁圖 研究氣功原理等 超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展 超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 推進(jìn)器在飛機(jī)上的應(yīng)用可大大提高飛機(jī)的生存能力 在航海中的應(yīng)用 可大大減小甚至沒(méi)有噪音 推進(jìn)速度快 可大大提高艦艇的生存 作戰(zhàn)能力 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)應(yīng)用于C3I指揮系統(tǒng) 可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等等 隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展 高溫氧化物超導(dǎo)材料和有機(jī)物超導(dǎo)材料將不斷問(wèn)世 目前超導(dǎo)還只應(yīng)用在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和高技術(shù)中 例如中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所 采用超導(dǎo)技術(shù)建成托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置 磁約束裝置 放電300ms 電流I 150kA 使我國(guó)核聚變研究能力向前跨進(jìn)一大步 19 第五講低溫下的量子效應(yīng) 國(guó)家科委 91 國(guó)科發(fā)高字126號(hào)關(guān)于印發(fā) 超導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)匯報(bào)會(huì)紀(jì)要 的通知 中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)周光召同志說(shuō) 超導(dǎo)是物理學(xué) 材料科學(xué)中最熱門的前沿 在全世界激烈競(jìng)爭(zhēng)的情況下 中國(guó)的科學(xué)家和研究生們 奮力拼搏 在各方面做出了很好的成績(jī) 表示了中國(guó)科技界這部分力量是非常寶貴的 是值得我們國(guó)家引為驕傲的一支科技力量 20 第五講低溫下的量子效應(yīng) 奇異的超導(dǎo)陶瓷1973年 人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金 鈮鍺合金 其臨界超導(dǎo)溫度為23 2K 該記錄保持了13年 1986年 設(shè)在瑞士蘇黎士的美國(guó)IBM公司的研究中心報(bào)道了一種氧化物 鑭 鋇 銅 氧 具有35K的高溫超導(dǎo)性 打破了傳統(tǒng) 氧化物陶瓷是絕緣體 的觀念 引起世界科學(xué)界的轟動(dòng) 此后 科學(xué)家們爭(zhēng)分奪秒地攻關(guān) 幾乎每隔幾天 就有新的研究成果出現(xiàn) 1986年底 美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的氧化物超導(dǎo)材料 其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K 液氫的 溫度壁壘 40K 被跨越 1987年2月 美國(guó)華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國(guó)科學(xué)家趙忠賢相繼在釔 鋇 銅 氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上 液氮的禁區(qū) 77K 也奇跡般地被突破了 1987年底 鉈 鋇 鈣 銅 氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K 從1986 1987年的短短一年多的時(shí)間里 臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了100K以上 這在材料發(fā)展史 乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡 21 第五講低溫下的量子效應(yīng) 國(guó)外超導(dǎo)材料的截面很像普通銅線線圈 可是 若用顯微鏡將其放大 便可觀察到 在一根銅線之中填滿了無(wú)數(shù)條極細(xì)的鈮鈦合金超導(dǎo)絲 將這種銅線一層一層纏繞起來(lái) 在真空中灌進(jìn)足夠的環(huán)氧樹(shù)脂 使之牢固地固定住 便制得超導(dǎo)線圈 日本富士 三菱的6MVA超導(dǎo)發(fā)電機(jī)中所使用的 就是在3mm的方形銅線中填入數(shù)百根比頭發(fā)還細(xì) 直徑僅為40微米的鈮鈦超導(dǎo)合金細(xì)絲 采用這樣的結(jié)構(gòu)能通過(guò)大電流而毫無(wú)損耗 鈮鈦合金在負(fù)264 以下的超低溫液氦中電阻為零 而堪稱新一代材料的鈮8錫并非合金而是鈮和錫的化合物 這種材料具有超導(dǎo)特性的溫度 約比鈮鈦合金高10 左右 并且易于設(shè)計(jì) 但是鈮三錫性脆 不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細(xì)絲 因此 國(guó)外用銅合金 銅與錫的合金 包覆純鈮絲材 外面再用純銅包覆制成細(xì)絲 把這種細(xì)絲置于加熱爐中加熱 使錫滲入鈮中 形成鈮3錫 22 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電 輸電和儲(chǔ)能 由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下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10萬(wàn)高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng) 而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體 要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng) 需要消耗3 5兆瓦的電能及大量的冷卻水 投資巨大 超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域 利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬(wàn) 6萬(wàn)高斯 并且?guī)缀鯖](méi)有能量損失 這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5 10倍 達(dá)1萬(wàn)兆瓦 而體積卻減少1 2 整機(jī)重量減輕1 3 發(fā)電效率提高50 23 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)線圈制的轉(zhuǎn)子浸入液氦中 為與外部隔熱 可仿照保溫瓶的形式 將其包覆在真空間隙內(nèi) 由于轉(zhuǎn)子以每分鐘3600轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) 故對(duì)支撐它的結(jié)構(gòu)材料提出了特殊的性能要求 即既能經(jīng)受超低溫 又不被磁化 因?yàn)槿f(wàn)一液氦漏泄 整個(gè)發(fā)電站內(nèi)部就會(huì)立即凍成冰山 為此 國(guó)外采用了噴氣飛機(jī)引擎用的因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金 或A286高鎳合金 或鈦合金 發(fā)電機(jī)是在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)中 使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電流的 也可以利用水力或煤 石油 原子能等產(chǎn)生的蒸汽動(dòng)力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子雖是一個(gè)巨大的線圈 若它產(chǎn)生的強(qiáng)大電流毫無(wú)損失 這就是解決制造高效率發(fā)電機(jī)的方法 正由于超導(dǎo)是電流損失為零的狀態(tài) 所以若把其應(yīng)用于線圈上 則可以達(dá)到最大限度的發(fā)電效率 24 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器從而把電力幾乎無(wú)損耗地輸送給用戶 據(jù)統(tǒng)計(jì) 目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電 約有15 的電能損耗在輸電線路上 光是在中國(guó) 每年的電力損失即達(dá)1000多億度 若改為超導(dǎo)輸電 節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠 超導(dǎo)體在電力能源 超導(dǎo)磁體 生物 醫(yī)療科技 通信和微電子等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用 在電力能源方面 包括輸電電纜 線流器 電動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī) 變壓器 超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在內(nèi)的一系列超導(dǎo)產(chǎn)品將給電力的發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響 以至于美國(guó)能源部的專家認(rèn)為 超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備 日本專家也認(rèn)為 發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)保持尖端優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在 前景廣闊的超導(dǎo)兵器 快速高效的超導(dǎo)通信 高度靈敏的超導(dǎo)探測(cè) 25 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性 將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方 由于磁體的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體 磁體和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力 使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方 利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車 利用超導(dǎo)體的抗磁性可以實(shí)現(xiàn)磁懸浮 由于超導(dǎo)盤把磁感應(yīng)線排斥出去 超導(dǎo)盤跟磁鐵之間有排斥力 結(jié)果磁鐵懸浮在超導(dǎo)盤的上方 這種超導(dǎo)懸浮在工程技術(shù)中是可以大大利用的 超導(dǎo)懸浮列車就是一例 讓列車懸浮起來(lái) 與軌道脫離接觸 這樣列車在運(yùn)行時(shí)的阻力降低很多 沿軌道 飛行 的速度可達(dá)500公里 小時(shí) 高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以后 超導(dǎo)態(tài)可以在液氮溫區(qū) 零下169度以上 出現(xiàn) 超導(dǎo)懸浮的裝置更為簡(jiǎn)單 成本也大為降低 我國(guó)的西南交通大學(xué)于1994年成功地研制了高溫超導(dǎo)懸浮實(shí)驗(yàn)車 上?？茖W(xué)院磁浮技術(shù)首席專家 上師大退休教授魏樂(lè)漢日本自1962年起就開(kāi)始了直線電機(jī)推動(dòng)懸浮方式列車的預(yù)研制工作 至1999年2月10日 隨著在日本山梨縣境內(nèi)進(jìn)行的5節(jié)車輛時(shí)速500公里荷重270人分編組運(yùn)行試驗(yàn)的成功 日本超導(dǎo)磁浮列車的研制已近尾聲 26 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)核磁共振譜儀 27 第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列 但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱 而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路 其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來(lái)制作 不存在散熱問(wèn)題 同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度大大提高 此外 科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來(lái)制造晶體管 甚至完全用超導(dǎo)體來(lái)制作晶體管 28 第五講低溫下的量子效應(yīng) 綠色交通工具 磁懸浮列車磁懸浮列車不使用車輪 是依靠電磁作用力把車輛懸浮在軌道上方 導(dǎo)引與驅(qū)動(dòng)車輛 除了空氣摩擦之外 沒(méi)有輪軌接觸所帶來(lái)的阻力 磁懸浮列車的推動(dòng)力來(lái)自于直線電機(jī) 它的動(dòng)力直接產(chǎn)生于列車和軌道之間 在高速行駛時(shí)就像一架超低空飛行的飛機(jī) 時(shí)速可達(dá)到500 1000千米 由于磁懸浮列車是 飛 在軌道上的 無(wú)機(jī)械接觸 噪聲低 而且高速 安全 平穩(wěn) 不污染環(huán)境 節(jié)省能源 所以是一種理想的綠色交通工具 磁懸浮列車有兩種類型 一種是日本采用的排斥式電動(dòng)系統(tǒng) 另一種是德國(guó)開(kāi)發(fā)的吸引式電磁系統(tǒng) 目前 日本 德國(guó) 法國(guó) 韓國(guó) 俄羅斯和中國(guó)等都已研制成功磁懸浮列車 29