阅读材料 Reading
 
实用工具 Tools
 
阅读文章

低温下的奇迹-超导现象

发布日期:2005-12-8    发布人:施大宁    点击数:2142 【字体:

低温下的奇迹--超导现象


科学的预言

  1784年英国化学家拉瓦锡曾预言:假如地球突然进到寒冷的地区,空气无疑将不再以看不见的流体形式存在,它将回到液态。从那时候起,拉瓦锡的预言就一直激励着人们去实现气体的液化并由此得到极低的温度。使气体变成液体,这听起来如同神话一般,但是科学家不仅相信了这个神话,而且使它成为现实。
  在拉瓦锡做出预言的18世纪末,科学研究的水平还非常低,我们今天根本无法想象当时科学家液化气体时遇到的困难有多大。许多人为此呕心沥血、殚精竭虑,贡献了毕生精力,但是他们的努力终于有了回报。

  19世纪30年代,科学家发现通过加压可以使一些气体液化,而且确实使硫化氢、氯化氢、二氧化硫等气体变成液体,但是氧、氢、氮等气体却毫无液化的迹象。在后来的几十年间,人们的主要精力都集中于它们,埃梅曾将氧气和氮气密封在一个特制的圆筒中并沉入1.6千米的海底,使压强超过200个标准大气压;维也纳的一位叫纳特勒的医生还制造了一个能耐3000个标准大气压的容器来液化空气,但都未获得成功。面对这样的现实,不少人感到人类将永远无法使这类气体液化,并认定它们是真正的"永久气体"。
  但即使这样,人类并未停止液化"永久气体"的努力。1877年法国物理学家盖勒德首先实现了"永久气体"中氧的液化,液体氧的温度低达-140℃,1898年,英国科学家杜瓦获得液化氢,液氢的温度为-252.76℃,第二年杜瓦又成功地使液氢变为固体氢,固体氢的温度低到-260℃
  在通过液化气体获得低温的同时,科学家也制定出另外一种测量温度的温标--开氏温标。平常我们使用的摄氏温标比开氏温标高273.16度,因而开氏温标中的零度就是-273.16℃1968年,荷兰物理学家昂尼斯在气体液化研究中取得更大的突破,他成功地液化了最难冷凝的氦气,获得了几乎接近0K--即-273.16℃的低温。至此,人类终于全部实现了拉瓦锡的预言。

低温下的奇迹

  人类通过液化气体获得了低温,科学家会利用低温做什么呢?他们要做的事情很多,其中最重要的是继续那个古老问题的探索,研究那些没有生命的物质在低温下会发生什么变化。
  1910年,昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年,他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现,当温度低于4K时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零,对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪,即使当时最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。
  为了进一步证实这一发现,他们用固态的水银做成环路,并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下,只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处于4K之下的低温时,即使磁铁停止了运动,感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢?他们坚持定期测量,经过一年的观察他们得出结论,只要水银环路的温度低于4K,电流会长期存在,并且没有强度变弱的任何迹象。
  接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验,发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻,昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的实验之后,昂尼斯立即正式公布这一发现,并且很快引起科学界的高度重视,昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。

什么是超导体?

零电阻
  将超导体冷却到某一临界温度(TC)以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如,汞的临界温度为4.15KK为绝对温度,0K相当于零下273℃),而高温超导体YBCO的临界温度为94K

完全抗磁性
  当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后,只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度,超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外,在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为"迈斯纳效应"。
  迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性,它们既互相独立,又密切联系。
  迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性,即 "迈斯纳"效应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的行为并不是不可逆的。在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。

超导态的临界参数
■ 临界温度(TC)--超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。
■ 临界电流密度(JC)--通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。
■ 临界磁场(HC)--施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。
■ 以上三个参数彼此关联,其相互关系如右图所示。

超导体的分类

  目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种(如右图元素周期表中青色方框所示),而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种(如右图元素周期表中绿色方框所示)。

第I类超导体
  第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好
导电性的纯金属,如铝、锌、镓、镉、锡、铟等,该类超导体的溶点较低、质地较软,亦被称作"软超导体"。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态,并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低,因而没有很好的实用价值。

第II类超导体
  除金属元素钒、锝和铌外,第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于:
■ 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(混合态);
■ 第II类超导体的混合态中有磁通线存在,而第I类超导体没有;
■ 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。
  第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。
  理想第II类超导体的晶体结构比较完整,不存在磁通钉扎中心,并且当磁通线均匀排列时,在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消,其体内无电流通过,从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷,并且存在磁通钉扎中心,其体内的磁通线排列不均匀,体内各处的涡旋电流不能完全抵消,出现体内电流,从而具有高临界电流密度。在实际上,真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。



超导研究的理论和现状

伦敦方程
  伦敦兄弟于1935年提出的伦敦方程是第一个对超导体的电动力学作统一描述的理论。该理论不仅说明了超导体的各种电磁性质,而且也解释了前述的迈斯纳效应。该理论指出:在超导态,处于外磁场中的超导体内并不是完全没有磁场,实际上外磁场可以穿透到超导体表面附近很薄的一层中,其穿透深度约为十万分之一厘米。

BCS理论
  从微观机制上去理解超导电性是在1957年由约翰·巴丁、里昂·库珀和罗伯特·施里弗提出BCS理论后。该理论模型基于量子力学理论,其主要观点是:在超导体内部,由于电子和点阵之间的相互作用,在电子与电子之间产生了吸引力,这种吸引力使传导电子两两结成电子对,组成每个电子对的两个电子动量相等、自旋方向相反,这种电子对称为库珀电子对或超导电子。库珀电子对的能量低于两个正常电子的能量之和,因而超导态的能量低于正常态。在绝对零度时,全部电子都结成库珀电子对,都是超导电子,随着温度的升高,晶格振动能量不断增大,库珀电子对就不断地被拆散并转变为正常电子,在温度达到临界温度以上时,库珀电子就全部被拆散,所有电子都是正常电子。由于该杰出的理论成果,他们三人分享了1972年的诺贝尔物理学奖。

约瑟夫森效应
  1962年英国物理学家约瑟夫森在研究超导电性的量子特性时提出了量子隧道效应理论,也就是今天人们所说的约瑟夫森效应。该理论认为:电子对能够以隧道效应穿过绝缘层,在势垒两边电压为零的情况下,将产生直流超导电流,而在势垒两边有一定电压时,还会产生特定频率的交流超导电流。在该理论的基础上诞生了一门新的学科--超导电子学。

NbTiNb3Sn
  在超导材料的探索过程中,不能不提及的超导材料是NbTiNb3SnNb3Sn化合物超导材料于1954年由马赛厄斯等人发现,而NbTi合金具有超导电性则于1961年由孔茨勒发现。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今,用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体,用Nb3Sn化合物线材绕制一个15T的超导磁体已经不存在任何的技术问题。

高温超导体
  二十世纪八十年代是超导电性的探索与研究的黄金年代。1981年合成了有机超导体,1986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4,其临界温度约为35K。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质,因此这个发现意义非常重大,他们获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
  1987年在超导材料的探索中又有新的突破,美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为90K的超导材料YBCO
                         
  1988年初日本宣布制成临界温度达110KBi-Sr-Ca-Cu-O超导体。至此,人们终于实现了液氮温区超导体的梦想,实现了科学史上的重大突破。这类超导体由于其临界温度在液氮温度(77K)以上,因此被称为高温超导体。

超导体研究近况
  自从高温超导材料发现以后,一阵超导热席卷了全球。科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度可达125K,汞系化合物超导材料的临界温度则可达135K。如果将汞置于高压条件下,其临界温度将能达到难以置信的164K1997年,研究人员发现,金铟合金在接近绝对零度时既是超导体同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在45K时具有超导电性。由于该化合物独特的晶体结构,它在计算机数据存贮中的应用潜力将非常巨大。
  这些令人鼓舞的发现激发了科学家进一步探索超导理论和至今为止依然没有被人发现的新型超导材料的兴趣和决心,并且为了对自然界有更深的认识和超导技术应用的美好前景,一定会有更多有志者投身于超导事业中。

超导体的应用

电子学应用
  自1962年超导量子隧道效应发现以后,超导技术在电子学中的应用揭开了新的篇章,经过多年的发展,至今已有许多新型的超导电子器件研制成功,这些超导电子器件包括:超导量子干涉器SQUID)、超导混频器超导数字电路超导粒子探测器等。
  超导量子干涉器是一种磁通--电压转换器件,如果用一个简单的输入变压器,就转变成电流--电压放大器。这种放大器灵敏度极高,带宽能够达到兆赫,没有相位畸变,噪声极小。例如SQUID磁强计能够测量非常微弱的磁场,其分辨率能够达到10-11高斯左右,可以用来测量人体的微弱磁场,描绘出心磁力和脑磁图。
  超导混频器利用约瑟夫森结的变频作用,将高频信号转换成中频信号,主要应用于无线电技术中。
  超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件,其开关速度可达10-11秒左右的数量级,比半导体集成电路快100倍,但功耗却要低1000倍左右,为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径。
  超导粒子探测器具有很高的灵敏度和纳秒级的速度,可以用来检测从亚毫米波段到远红外波段的电磁信号。

生物医学应用
  超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成像装置MRI)和核磁共振谱仪NMR)。
  核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。目前,核磁共振成像装置已广泛用于医学诊断中,例如用于早期肿瘤和心血管疾病等的诊断,它能准确检查发病部位,无损伤和辐射作用,并且诊断面非常广。
  核磁共振谱仪是基于核磁共振原理而研制出来的,它目前已广泛用于物理、化学、生物、遗传和医药学等领域的研究中,具有高分辨率、高频率、高磁场等优点。

科学工程和实验室应用
  科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面,它包括高能加速器、核聚变装置等。高能加速器用来加速粒子产生人工核反应以研究物质内部结构,是基本粒子物理学研究的主要装备。核聚变装置是人们长期以来梦想解决能源问题的一个重要方向,其途径是将氘和氚加热后,使原子和弥散的电子成为一种等离子状态,并且在将这种高温等离子体约束在适当空间内的条件下,原子核就能够越过电子的排斥而互相碰撞产生核聚变反应。在这些应用中,超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关键部件。

交通应用
  超导技术在交通方面的应用是随着国民经济的发展,社会对交通运输的要求而产生的。超导磁悬浮列车利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触而悬浮于轨道之上,并利用直线电机驱动列车运动的一种新型交通工具。由于超导磁悬浮列车的时速高达500公里/小时,并具有安全、噪音低和占地小等优点,因此被认为是未来理想的交通运输工具。

电力应用
  高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中,也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。超导技术在电力中的应用主要包括:超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。
▲高温超导电缆
  高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施,具有截流能力大、损耗低、体积小和重量轻等优点,是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。它由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分组成。其中电缆芯是高温超导电缆的核心部分,包括通电导体、电绝缘和屏幕导体等主要部件。
  高温超导电缆能够传输比同尺寸的常规电缆大35倍的功率,并且在传输交流时的功率损耗只占其输送容量的1%左右,比常规电缆的8%要低得多。因此,高温超导电缆将
● 满足日益增长的城市电力需求;
● 由于环境保护或其它原因影响高架输电电缆的安装时取代高架输电电缆;
● 在损耗极小的有利条件下大大提高电力系统的效率;
● 增加电力系统运行的灵活性;
● 减少电力系统的运行成本。
  目前高温超导电缆已经不存在大的技术障碍,并且已经走向实际应用。在短期内可望走向大规模的应用,特别是在短距离内传输大电流的场合将得到实际应用。据预测,高温超导电缆的国际市场在2010年左右可望达到15亿美元。
▲超导限流器
  超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性,有效限制电力系统故障短路电流,能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体,反应速度快,正常运行时的损耗很低,能自动复位,克服了常规熔断器只能使用一次的缺点。
  超导限流器的工作原理是通过短路电流造成超导体失超,从超导态转变为正常态,使限流器呈现很大阻抗来限制电力系统的故障电流,它的限流时间可小于百微秒级。超导限流器主要用于电力传输和配送系统,特别是在人口密度高、经济发展速度快、对电能的需求较高的地区。因此,超导限流器将
● 增强电力系统的安全性;
● 增加电力系统的可靠性;
● 提高电力质量;
● 能够与现有的电力系统保护设施兼容;
● 通过调节允许的电流峰值增加电力系统的灵活性;
● 减少电力系统线路中的断路器和熔断器的使用,延缓电力设备的更新以降低成本;
● 提高系统的运行容量。
  专家们预言,就高温超导体在电力系统中的应用而言,最先得到实际应用的将可能是超导限流器。并预计,超导限流器的国际市场在2010年左右将可望达到35亿美元。
▲超导储能装置
  超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来,需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件,它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。
  超导储能装置的工作原理是在电网运行处于其低谷时把多余的电能储存起来,而在电网运行处于高峰时,将储存的电能送回电网。由于储能线圈由超导线绕制且维持在超导态,线圈中所储存的能量几乎可以无损耗地永久储存下去直到需要释放时为止。超导储能装置不仅可用于调节电力系统的峰谷,而且可用于降低甚至消除电网的低频功率振荡从而改善电网的电压和频率特性,同时还可用于无功和功率因素的调节以改善电力系统的稳定性。因此,超导储能装置
● 可长期无损耗地储存能量,其转换效率可达95%
● 可通过采用电力电子器件的变流器实现与电网的连接,响应速度快(毫秒级);
● 由于其储能量与功率调制系统的容量可独立地在大范围内选取,可建成所需的大功率和大能量系统;
● 除了真空和制冷系统外没有转动部分,使用寿命长;
● 在建造时不受地点限制,维护简单、污染小。
  目前美国、日本、德国等一些发达国家在超导储能装置方面的研究上投入了大量的人力和物力,并且有许多在建的超导储能装置。据预测,到2010年全世界对超导储能装置的需求将在15亿美元左右。
▲超导电机
  超导电机的主要研究对象是静态超导电机(即超导变压器)和旋转超导电机(即发电机和电动机),并且由于采用了超导绕组,超导电机的运行电流密度和磁通密度都大大地提高了。超导电机的基本结构和常规电机相似,主要由转子、定子组成,只是还需要有相应的低温容器以使超导转子绕组和超导定子绕组处于超导态。由于超导电机采用了超导绕组,与常规电机相比较,能够承载更大的电流从而产生更强的磁场,能够在与常规电机功率输出相同的情况下使体积和重量减小到常规电机的1/5大小。因此,对于功率在300MVA以上的大型电机,超导电机
● 可以降低25-40%的制造成本;
● 可以降低运行成本,增加运行效率;
● 可以减少电机运行时的振动和噪音;
● 可以将其体积和重量减少4/5
● 具有更大的单机容量,能够达到1000MVA
● 具有更加稳定的性能;
● 安装容易,维护简单。
  目前普遍认为只有大容量超导电机(例如300MVA以上)在经济上才具有竞争优势。据估计,至2010年超导变压器的世界需求量将达到15亿美元,超导电动机的世界市场需求量将达到1亿美元。

磁体应用
  超导磁体的应用研究在国际上非常活跃,而在强磁场下物质特性的一系列变化又引起了研究工作者的极大兴趣和热情。随着超导强磁场技术的不断进展,一系列用于实验研究的强磁场实验装置(从几万高斯到十几万高斯)已经被研制出来并得到了广泛的应用,大大促进了强磁场与其它学科交叉所产生的新生长点的研究和应用,并在许多领域取得了重要进展,如环保、材料变性、育种、磁共振、磁拉单晶以及扫雷等。
▲环保
  环境保护涉及到人类生存条件的优劣,是我国的一项基本国策。开展环境保护方面的研究工作具有十分重要的经济和社会效益。根据待处理的物料中部分带有磁性或者磁性较强,而其它部分不含磁性或者磁性较弱,并通过调整磁场强度来对物料进行处理的研究和实践工作,现在已经在环境保护方面取得了许多重要的进展:
● 对工厂的废水进行处理,循环利用水资源并减少废水污染;
● 对各种饮用水进行软化并改善水的质量,提高人民的生活和健康水平;
● 对石油炼制行业的废弃催化剂进行处理,减少对环境的污染并显著提高企业的经济效益;
● 进行锅炉和管道的除垢和清洗,提高其热利用率;
● 对高岭土进行除铁增白,提高产品的白度和质量。
▲材料变性
  强磁场应用于材料变性的研究主要起因于磁场对材料分子,特别是液晶高分子材料、功能材料和工程塑料的分子具有取向作用。这种取向作用将使材料的物性发生极大的改变,从而有利于人们根据具体的应用情况而采用相应的手段来更好地发挥材料应有的功能。
● 液晶高分子材料的强磁场处理将有可能使材料的纵向抗张强度提高2-3倍,纵向热膨胀系数降低到18%左右,从而可能极大地提高了材料的强度和耐温性能;
● 功能材料的强磁场处理将有可能使其纤维的电导率达到铜电导率的1/12或更大,从而成为潜在的金属材料的替代品;
● 工程塑料的强磁场处理将可能极大地提高纤维或块材的分子取向度,提高其机械强度,在工程塑料的应用上使用价值很高。
▲育种
  农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶,在强磁场作用下,能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。一般而言,磁场强度和磁场作用时间对农作物种子的影响比较大,其作用机制是:磁场→基因→酶→代谢→结构与功能。实验研究的结果表明,经过强磁场作用的农作物种子,其最终产量将能够提高5-10%
▲磁拉单晶
  在单晶生长过程中,坩埚中晶体在熔融状态下,晶体表面会产生波动,影响单晶的质量和成品率。如果在坩埚区加一横向磁场,则会抑制熔融单晶的表面波动,有效控制氧含量及减小由于杂质和涡旋条纹而产生的缺陷,单晶电阻率均匀性将显著提高,单晶的质量和成品率大幅度提高。单晶直径越大,也就越是需要有相应的横向磁场。由此,超导磁拉单晶生长炉发展起来了,并且广泛用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。超导磁拉单晶生长炉
● 线圈体积小、重量轻;
● 可以根据要求设计成形状复杂的磁场,且磁场集中、漏磁小、稳定性好;
● 没有电流引线的热导和焦耳热损,磁体系统的液氦挥发率大大降低,几乎不消耗电能;
● 运行费用大幅度降低,操作方便,维护简单。
▲扫雷
  超导技术在军事工业中也可以发挥其特有的作用,超导扫雷具就是其中之一。超导扫雷具的工作原理是:超导扫雷具模拟舰船磁场特性,采用两根大电流电缆在海水中形成电极,并与海水组成闭合电路产生磁场,或者在船上安装一个电磁体产生磁场,从而得以将磁水雷引爆。
▲超导电磁流体推进船舶
  超导电磁流体船舶推进是用电磁力直接推动船舶运动的一种新颖的船舶推进方式。它基于海水在相互垂直的电场和磁场中受到电磁力的作用,推动船舶前进。该推进方式具有无振动、无机械磨损、噪声小和控制灵活等特点,理论船速可达每小时100海里。



Copyright © 2005•南京航空航天大学理学院版权所有