1、材料世界漫谈9从低温的获得到超导电性的发现从低温的获得到超导电性的发现 超导电性是人类发展低温技术并不断地在新的温度范围超导电性是人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。里研究物质的物理性质的过程中发现的。 19世纪末：低温技术获得了显著的进展。曾一向被视为世纪末：低温技术获得了显著的进展。曾一向被视为“永久气体永久气体”的空气被液化了。的空气被液化了。 1887年：氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的长年：氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的长压下的沸点压下的沸点-183(绝对温度绝对温度90K)； 随后人们又液化了液化温度是随后人们又液化了液化温度是-
2、196 (77K)的氮气。的氮气。 1898年：杜瓦年：杜瓦(J.Dewar)第一次把氢气变成液体氢，液化第一次把氢气变成液体氢，液化温度为温度为-253 。杜瓦的工作照杜瓦的工作照 利用液体空气和液氢，当时人们可以在实验室中得到利用液体空气和液氢，当时人们可以在实验室中得到-259 的低温。的低温。 1908年，荷兰莱登实验室在卡末林年，荷兰莱登实验室在卡末林昂尼斯昂尼斯(Kamer light Onnes)的指导下，经过长期努力，首次成功地把称为的指导下，经过长期努力，首次成功地把称为“永久永久气体气体”的氦液化，当时他们测定了一个大气压下氦气的液化的氦液化，当时他们测定了一个大气压下氦气
3、的液化点是点是4.25K，紧接着昂尼斯领导的实验室使用减压降温法，紧接着昂尼斯领导的实验室使用减压降温法，就是利用液氦的沸点随液氦的蒸汽压的下降而下降的性质，就是利用液氦的沸点随液氦的蒸汽压的下降而下降的性质，获得了获得了4.25-1.15K的低温，这是当时所能达到的最低温度，的低温，这是当时所能达到的最低温度，为超导准备了条件。为超导准备了条件。从低温的获得到超导电性的发现从低温的获得到超导电性的发现1911年：在测试纯金属电阻率的低温特性时，年：在测试纯金属电阻率的低温特性时，卡末林卡末林昂尼斯昂尼斯 发现，汞的直流电阻在发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次精密时突然消失，多次精密
4、 测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时汞进入 了一种以零阻值为特征的新物态，并称为了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态超导态”。1911年年12月月28日：日：昂尼斯昂尼斯宣布了这一发现。但此时他还没有宣布了这一发现。但此时他还没有 看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有 关水银的特殊现象。关水银的特殊现象。超导电性的发现超导电性的发现荷兰物理学家荷兰物理学家昂尼斯昂尼斯(Kamer light Onnes) 卡末林卡末林昂尼斯昂尼斯(Kamer light Onnes)低温物理学家。低温物理学家。 185
5、3年年9月月21日生于荷日生于荷兰的格罗宁根，兰的格罗宁根，1926年年2月月21日卒于荷兰的莱顿。因日卒于荷兰的莱顿。因制成液氦和发现超导现象制成液氦和发现超导现象获得获得1913年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖。奖。1986年以前超导研究过程年以前超导研究过程1911年：年： Onnes发现发现Hg在在4.2K电阻突然下降为零；电阻突然下降为零；1933年：年： Meissner(迈斯纳迈斯纳)效应的发现；效应的发现；1911-1932年间：年间： 研究元素的超导电性；研究元素的超导电性；Hg、Pb、Sn、In、Ta1932-1953年：发现了许多具有超导电性的合金；年：发现了许多具有超导电
6、性的合金； 如如 Pb-Bi，NbC，MoN，Mo-Re.1953-1973年：发现了一系列年：发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。型超导体和三元系超导体。 如如 Tc 17K的的V3Si，Nb3Sn；特别是特别是Nb3Ga， Nb3Ge Tc 23.2K 1973-1986年：超导临界温度的提高，停滞不前。年：超导临界温度的提高，停滞不前。 Tc=23.2K Nb3Ge (1973年发现年发现)重重Fermi子超导体子超导体 非晶态超导体非晶态超导体低载流子密度超导体低载流子密度超导体 磁性超导体磁性超导体低维无机超导体低维无机超导体超晶格超导体超晶格超导体有机超导体有机超导体非常规超
7、导体研究得到了蓬勃发展非常规超导体研究得到了蓬勃发展1986年以前超导研究过程年以前超导研究过程高温超导体研究的重大突破高温超导体研究的重大突破1986年，年，Mller 和和 Bednorz 发现高温超导体。发现高温超导体。1986.1 La2-xBaxCuO4 35K1987.2 YBa2Cu3O7 90K1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K1988.3 Tl-Ba-Ca-Cu-O 130K1992 Hg-Ba-Ca-Cu-O 135K (几万个大气压几万个大气压 165K) 1986年年8月：月：IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授的苏黎士研究室的米勒教授和
8、贝德诺兹教授 发现了一种铜氧化合物，它们在发现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电的温度下电 阻接近于阻接近于0，一下子把超导温度提高了，一下子把超导温度提高了12度；度；1987年初：美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发年初：美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发 现了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超现了另外一种材料；钇钡铜氧化物，使超 导记录提高到了导记录提高到了98K。在这个温度区上，超导体。在这个温度区上，超导体 可以用廉价而丰富的液氮来冷却。可以用廉价而丰富的液氮来冷却。1986年年12月：米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷月：米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新
9、型的陶瓷 超导体超导体(此前超导体都是金属此前超导体都是金属)，这种超导体把超，这种超导体把超 导性的临界温度又提高到了导性的临界温度又提高到了38K。高温超导体的研究进展高温超导体的研究进展高温超导体的研究进展高温超导体的研究进展199l年：美国和日本的科学家又发现了球状碳分子年：美国和日本的科学家又发现了球状碳分子60在在 掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性科学家预料，掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性科学家预料， 球状碳分子球状碳分子60掺杂金属后，有可能在室温下出现掺杂金属后，有可能在室温下出现 超导现象，那时超导材料就有可能像半导体材料一超导现象，那时超导材料就有可能像半导体材料一 样，
10、在世界引起一场工业和技术革命。样，在世界引起一场工业和技术革命。1996年：日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电年：日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电 流密度达到流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用，这种线材已达到了实用 化的水平。化的水平。 我国超导材料的研究进展我国超导材料的研究进展1998年年7月：我国研制成功中国第一根月：我国研制成功中国第一根1米长米长1000安培铋系高温安培铋系高温 超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列 为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温 超
11、导带材长超导带材长116米，宽米，宽3.6毫米，厚为毫米，厚为0.28毫米，以毫米，以 螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，螺旋管方式缠绕，用四引线法全长度测量，77 液氮温度液氮温度(零下零下169)自场下临界电流达自场下临界电流达12.7安培，安培， 各项技术指标均达到国内领先水平。各项技术指标均达到国内领先水平。 中国的超导电性研究开始于中国的超导电性研究开始于20世纪世纪50年代，年代，1959年首次实年首次实现了氦的液化。探索高临界温度超导电性的研究则始于现了氦的液化。探索高临界温度超导电性的研究则始于1976年。年。 自从高温氧化物超导体被发现以来，在材料、机制以自从高温氧化物超
12、导体被发现以来，在材料、机制以及应用三个方面的研究及开发工作都进展很快。用高临界及应用三个方面的研究及开发工作都进展很快。用高临界温度超导体制备的温度超导体制备的SQUID器件及其它一些相关仪器已经走器件及其它一些相关仪器已经走进市场。高温超导体的临界温度已达进市场。高温超导体的临界温度已达134K在在HgBa2Ca2Cu3Oy（汞钡钙铜氧化物超导体）中（汞钡钙铜氧化物超导体）中。高温超导的机制至今还没。高温超导的机制至今还没有完全搞清，原因之一是材料的物理特征还没有被完全认识。有完全搞清，原因之一是材料的物理特征还没有被完全认识。高温氧化物超导体高温氧化物超导体超导研究获诺贝尔物理学奖情况超
13、导研究获诺贝尔物理学奖情况1913年：昂尼斯年：昂尼斯(荷兰荷兰) 在低温下研究物质的性质并制成在低温下研究物质的性质并制成 液态氦；液态氦；1972年：年： 巴丁巴丁(美美)、库珀、库珀(美美)、斯莱弗、斯莱弗(美美)提出所谓提出所谓BCS 理论的超导性理论理论的超导性理论(1957年提出年提出)； 1973年：年： 约瑟夫森约瑟夫森(英英) 关于固体中隧道现象的发现。从关于固体中隧道现象的发现。从 理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层，理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层， 即约瑟夫森即约瑟夫森(Josephson)效应效应(1962年发现年发现);1987年：米勒和贝德诺兹于年：米勒
14、和贝德诺兹于1986年发现高温超导体。年发现高温超导体。高温超导体的机理研究高温超导体的机理研究高温超导体的机理研究高温超导体的机理研究 米勒米勒(Mller)和贝德诺兹和贝德诺兹(Bednorz)于于1986年发现高温超年发现高温超导体，获得导体，获得1987年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 本世纪初超导材料在电力方面的应用已获得突破性的进本世纪初超导材料在电力方面的应用已获得突破性的进展，在输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都有超导应展，在输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都有超导应用的身影。液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求，用的身影。液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要
15、求，能够更容易实现，对电力应用来说，其推动较为明显。高磁能够更容易实现，对电力应用来说，其推动较为明显。高磁场情况下超导材料对液氦环境依赖性还较强。目前脉冲制冷场情况下超导材料对液氦环境依赖性还较强。目前脉冲制冷剂获得了较大的突破，过去要求在剂获得了较大的突破，过去要求在30K-50K的温度，现在这的温度，现在这个温度已经大大提升，并且已可作为商品出售。将超导磁体个温度已经大大提升，并且已可作为商品出售。将超导磁体运用到发电机、电动机上，可以较好地解决人类与日俱增的运用到发电机、电动机上，可以较好地解决人类与日俱增的用电需求。用电需求。 21世纪以前，发电机单机功率可达世纪以前，发电机单机功率
16、可达100万万 kw，当，当前的需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电前的需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁，磁感应强度和电流密度可分别提高许多倍。因此，在本世纪的电机强度和电流密度可分别提高许多倍。因此，在本世纪的电机中，电磁铁已逐步被超导磁体取代。中，电磁铁已逐步被超导磁体取代。超导的应用超导的应用 在电力设备领域中，采用超导材料技术，发达国家及我国都在电力设备领域中，采用超导材料技术，发达国家及我国都已有几十年的奋斗历史，这是因为利用这种材料有利于设备的小已有几十年的奋
17、斗历史，这是因为利用这种材料有利于设备的小型化、轻量化及高效化；抑制由于电力系统容量增大而增加的短型化、轻量化及高效化；抑制由于电力系统容量增大而增加的短路电流；解决因大电网而引起的系统不稳定问题以及高密度、高路电流；解决因大电网而引起的系统不稳定问题以及高密度、高可靠性的输电问题；对付峰值负载和降低价格等。可靠性的输电问题；对付峰值负载和降低价格等。 在磁场中生长单晶炉是在磁场中生长单晶炉是80年代发展起来的一项新技术，目前年代发展起来的一项新技术，目前广泛用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生广泛用于直接生长单晶硅、砷化镓和蓝宝石等晶体。磁拉单晶生长炉采用超导磁体有许多优点，
18、如线圈体积小、重量轻、耗电小；长炉采用超导磁体有许多优点，如线圈体积小、重量轻、耗电小；可以根据要求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。可以根据要求设计成形状复杂的磁场，且磁场集中、磁漏小等。超导的应用超导的应用超导的应用超导的应用 超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景，随着超导技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的技术的日益成熟，有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇。其外形尺变革，出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加一倍；寸
19、可能只有今天潜艇的一半，但所装备的数量将增加一倍；航速将会提高，而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中航速将会提高，而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部不会损失电力。同时，超导技术在解决实际应用问题后，部分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循分潜艇将采用电力推进系统，常规潜艇将有可能采用闭式循环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电环的热气机动力，从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池提供能量的时代。池提供能量的时代。超导材料的强电方面的应用超导材料的强电方面的应用 1、用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强
20、场磁体；、用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强场磁体； 2、用于、用于NMR（核磁共振）装置上以提供（核磁共振）装置上以提供1T10T的均匀磁场；的均匀磁场； 3、用于制造发电机和电动机线圈；、用于制造发电机和电动机线圈； 4、用于高速列车上的磁悬浮线圈；、用于高速列车上的磁悬浮线圈； 5、用于轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统。、用于轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统。物理基础物理基础: 1、 r=0 (无焦尔热损耗无焦尔热损耗) 2、临界温度、临界温度(Tc)、临界电流、临界电流(Ic)、临界磁场、临界磁场(Hc)高高 如如NbTi, Nb3Sn和和V3Ga等超导线材在强磁场中等超导线
21、材在强磁场中, 能负载很能负载很高的临界电流。高的临界电流。超导技术在电力工程方面的应用超导技术在电力工程方面的应用 传统电缆由于有电阻，传统电缆由于有电阻，电流密度只有电流密度只有300400安培安培/平方厘米；平方厘米； 高温超导电缆的电流高温超导电缆的电流密度可超过密度可超过10000安培安培/平平方厘米；方厘米； 传输容量比传统电缆传输容量比传统电缆要高要高5倍左右，功率损耗仅倍左右，功率损耗仅相当于后者的相当于后者的40。 由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于由云电英纳承担研制的我国第一组实用型高温超导电缆，于2004年年3月月23日全部完成，并于日全部完成，并于4月
22、月19日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。日在昆明普吉变电站挂网试运行成功。电力输送的新星电力输送的新星超导电缆超导电缆超导技术在电力工程方面的应用超导技术在电力工程方面的应用超导导线超导导线(含含2120根微米直径根微米直径之铌钛合金纤维之铌钛合金纤维) 超导输电在原则上可以超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大
23、变革。致电工领域的重大变革。 超导体强大的磁超导体强大的磁场可以贮存大量的电场可以贮存大量的电磁能，而且可以瞬间磁能，而且可以瞬间释放，在军事上有极释放，在军事上有极大的用处，比如作为大的用处，比如作为定向能武器，或者电定向能武器，或者电磁炮的能量转换装置。磁炮的能量转换装置。超导储能装置超导储能装置 超导储能装置是利用超导线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。一般由超导载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件
24、组成。其中超导线圈是超导储能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。装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈。 超导储能装置超导储能装置 在电力领域，利用超导线在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到度提高到5万万6 万高斯，并且万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达倍，达1万兆瓦，万兆瓦，而体积却减少而体积却减少1/2
25、，整机重量减轻，整机重量减轻1/3，发电效率提高，发电效率提高50 超导发电机超导发电机超导限流器超导限流器 超导限流器是利用超导超导限流器是利用超导体的超导体的超导/正常态转变特性，正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和超导限流器集检测、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位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点 。超导变压器超导变
26、压器 1. 不存在常规变压器中的不存在常规变压器中的发热损耗，节能潜力；发热损耗，节能潜力； 2. 体积可以减少体积可以减少 40-60%； 3. 液氮代替变压器油，消液氮代替变压器油，消除火灾隐患；除火灾隐患； 4. 超导变压器的内阻极小，超导变压器的内阻极小，能够增大电压的可调节范围。能够增大电压的可调节范围。 2011年年4月月19日，中国首座全超导变电站在白银正式并网日，中国首座全超导变电站在白银正式并网运行，标志着我国超导电力技术发展开始进入产业化新阶段。运行，标志着我国超导电力技术发展开始进入产业化新阶段。 能在大的空间内产生很高的磁场，所需的励磁功率能在大的空间内产生很高的磁场，
27、所需的励磁功率很小，一个很小，一个10Tesla的磁体只要汽车蓄电池充电即可。的磁体只要汽车蓄电池充电即可。 重量轻，体积小，稳定性好，均匀度高重量轻，体积小，稳定性好，均匀度高(1cm范围内范围内达到达到10-8量级量级)，也可以产生高梯度场，也可以产生高梯度场(14T/cm)。 和常规磁体相比，提高效率，节省费用。和常规磁体相比，提高效率，节省费用。超导磁体超导磁体超导技术在交通运输方面的应用超导技术在交通运输方面的应用 时速达时速达500km/h， 安全、稳定，为下一安全、稳定，为下一代的交通工具。代的交通工具。超超导导悬悬浮浮高高速速列列车车日本超导磁悬浮列车日本超导磁悬浮列车MAGL
28、EV 高温超导磁悬浮实验车高温超导磁悬浮实验车“世纪号世纪号” 超导技术在交通运输方面的应用超导技术在交通运输方面的应用 “九五九五”期间国家期间国家863计划项目。计划项目。西南交通大学西南交通大学 2000年年12月，采用月，采用国产国产YBaCuO高温超导体块材，悬高温超导体块材，悬浮总重量为浮总重量为635公斤，在长公斤，在长15.5米米的钕铁硼永磁导轨上自动运行。的钕铁硼永磁导轨上自动运行。“2001年中国高等学校十大科技进年中国高等学校十大科技进展展”，排名第，排名第2。高温超导磁悬浮实验车高温超导磁悬浮实验车“世纪号世纪号” 日本山梨试验线日本山梨试验线(Yamanashi Ma
29、glev Test Line) 1975年在日本宫年在日本宫崎建立了一条崎建立了一条7公里公里长的磁悬浮列车试验长的磁悬浮列车试验铁路。（铁路。（1997年扩展年扩展为为42.8公里）公里） 2003年年12月月2日日, 一辆一辆3车厢载人列车车厢载人列车创造了最大时速创造了最大时速 581 km/h 的世界记录。的世界记录。 每个车厢带每个车厢带4个超导个超导线圈，每边各线圈，每边各2个，传统个，传统超导材料制备，由液氦超导材料制备，由液氦冷却。冷却。 超导线圈能够产生超导线圈能够产生5 Tesla的强磁场。的强磁场。 超导线圈与导轨上的超导线圈与导轨上的铜线圈之间的距离只有铜线圈之间的距离
30、只有 8cm。日本磁浮列车日本磁浮列车MagLev的导轨线圈的导轨线圈 导轨上有导轨上有3套常规的铜线圈，分别用于浮力，推进力，和套常规的铜线圈，分别用于浮力，推进力，和侧面稳定。侧面稳定。导轨线圈导轨线圈MLU002N 于于1993年建成，最高载人时速年建成，最高载人时速411公里公里/小时。小时。日本宫崎试验线新磁浮试验车日本宫崎试验线新磁浮试验车MLU-002N超导技术在生物医疗方面的应用超导技术在生物医疗方面的应用核磁共振断层扫描仪核磁共振断层扫描仪与人体断层扫描图与人体断层扫描图 核磁共振断层扫描仪核磁共振断层扫描仪其原理乃是利用核磁共振其原理乃是利用核磁共振原理，观察体内某一种原原
31、理，观察体内某一种原子核的变化分布子核的变化分布(主要是氢主要是氢原子原子)，将结果显像为人体，将结果显像为人体断层扫描图，以观察身体断层扫描图，以观察身体中病灶组织的变化。中病灶组织的变化。超导核磁共振谱仪（超导核磁共振谱仪（NMR）美国美国VarianINOVA 500NB磁场：磁场：11.7T；共振频率：共振频率：500MHz超导核磁共振成像超导核磁共振成像 核磁共振目前都核磁共振目前都采用超导磁体，提高采用超导磁体，提高分辨率。分辨率。 液氦冷却！零下液氦冷却！零下 269摄氏度。摄氏度。1、超导粒子束武器和自由电子激光器、超导粒子束武器和自由电子激光器2、超导电磁炮、超导电磁炮3、超
32、导电磁推进系统和超导陀螺仪、超导电磁推进系统和超导陀螺仪 超导技术在军事工业中也可以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。一个电磁体产生磁场，从而得以将磁水雷引爆。 超导技术在军事上的应用超导技术在军事上的应用超导技术在超
33、导技术在科学工程和实验室的应用科学工程和实验室的应用 核聚变装置核聚变装置是人们长期以来是人们长期以来梦想解决能源问题的一个重要方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，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。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
34、少的关键部件。的关键部件。 1985年，前苏联、美、欧、年，前苏联、美、欧、日提出；日提出； 2003年中国加入；年中国加入； 7方方: 美、俄、日、欧、中、美、俄、日、欧、中、韩、韩、 印；印； 中国宣布承担总费用中国宣布承担总费用46亿欧亿欧元的元的10分之分之1，即大约，即大约 46亿人民亿人民币。币。 2006年年11月月21日，日，ITER计划联合实施协定及相关文件已计划联合实施协定及相关文件已正式签署。正式签署。 选址法国南部的选址法国南部的Cadarache。 国际热核试验堆（国际热核试验堆（ITER）计划）计划 2006年年11月月21日日法国巴黎总统府爱丽舍宫法国巴黎总统府爱
35、丽舍宫美国美国Fermi实验室超导对撞机实验室超导对撞机中国科学院合肥等离子体研究所建造中国科学院合肥等离子体研究所建造核聚变实验装置核聚变实验装置 (EAST) ：用于研究热核反应：用于研究热核反应HT-7托卡马克装置托卡马克装置 合肥董铺科学岛；合肥董铺科学岛； 国家国家“九五九五”重大科学工程重大科学工程项项目，投资约目，投资约4亿；亿； 1克氘和氚碰撞聚合产生的克氘和氚碰撞聚合产生的能量相当于能量相当于300升石油燃烧产生升石油燃烧产生的热量；氘和氚两种元素为海水的热量；氘和氚两种元素为海水中所富含，可谓取之不尽，用之中所富含，可谓取之不尽，用之不竭。不竭。 核心：超导电磁线圈围绕一核
36、心：超导电磁线圈围绕一个环形容器，把个环形容器，把H+和电子组成的和电子组成的等离子体限制和控制在极小的空等离子体限制和控制在极小的空间。间。中国又一项技术震惊全球中国又一项技术震惊全球!人造小太阳人造小太阳: 超导托卡马克超导托卡马克 全自动的磁学、电全自动的磁学、电学、热学和形貌，甚至学、热学和形貌，甚至铁电和介电等各种物性铁电和介电等各种物性测量手段。测量手段。 温度温度: 1.8 - 400 K (液氦液氦)磁场磁场: 0-9 特斯拉特斯拉 (超导磁体超导磁体)PPMS系统：超导科学仪器系统：超导科学仪器PPMS多功能物性测量系统多功能物性测量系统综合物性测量系统综合物性测量系统美国美
37、国Quantum Design公司公司 农作物种子由于其富含蛋农作物种子由于其富含蛋白质和有机酶，在强磁场作用白质和有机酶，在强磁场作用下，能够影响种子的萌发、苗下，能够影响种子的萌发、苗期生长、作物产量和品质、遗期生长、作物产量和品质、遗传特性等。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：磁场响比较大，其作用机制是：磁场基因基因酶酶代谢代谢结构与结构与功能。实验研究的结果表明，经过强磁场作用的农作物种子，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其最终产量将能够提高5-1
38、0%。 超导技术在农业上的应用超导技术在农业上的应用 根据交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结可以得到根据交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结可以得到标准电压。约瑟夫森效应的另一个基本应用是超导量子标准电压。约瑟夫森效应的另一个基本应用是超导量子干涉仪干涉仪(SQUID)。约瑟夫森结还有在计算应用上的巨大。约瑟夫森结还有在计算应用上的巨大潜力，它的开关速度在潜力，它的开关速度在10-12W的数量级，利用这一特性的数量级，利用这一特性可能开发新的电子器件。简单地说，我们可以为速度更可能开发新的电子器件。简单地说，我们可以为速度更快的计算机制造逻辑电路和存储器。当然还有很多有特快的计算机制造逻辑电路和存储
39、器。当然还有很多有特殊性能的器件。殊性能的器件。超导材料的弱电方面的应用超导材料的弱电方面的应用 以以Josephson效应为基础，建立极灵敏的电子测量装效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学。置为目标的超导电子学。分辨率：分辨率：磁场磁场 磁通量磁通量 磁场梯度磁场梯度 电流电流 电压电压 位移位移 加速度加速度 电磁能电磁能 10-15T 10-19Wb 10-11T/m 10-9A 10-15V 10-15m 10-11m/s2 10-14W举磁场为例：举磁场为例：10-1210-1110-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-1100
40、101102磁场磁场B（T）脑磁场脑磁场筋磁场筋磁场心磁场心磁场眼磁场眼磁场郊外噪音郊外噪音肺磁场肺磁场都市噪音都市噪音实验室噪音实验室噪音地磁场地磁场悬浮式马达悬浮式马达按钮开关按钮开关铜铁磁体铜铁磁体超导磁体超导磁体超导材料的弱电方面的应用超导材料的弱电方面的应用举例举例 1、SQUID磁强计：大面积探矿、测定地下水层的分磁强计：大面积探矿、测定地下水层的分布、地震预报；布、地震预报； 2、生物和医学上：探测心、肺、神经等活动引起的微、生物和医学上：探测心、肺、神经等活动引起的微弱电磁信号的变化；弱电磁信号的变化； 3、超导计算机：硅集成电路高性能化、小型化、超导计算机：硅集成电路高性能化
41、、小型化发热发热Josephson器件不发热。器件不发热。超导材料的弱电方面的应用超导材料的弱电方面的应用 用超导技术制成用超导技术制成各种仪器，具有灵敏各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报。各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报。 超导量子干涉仪超导量子干涉仪 超导技术在电子工程方面的应用超导技术在电子工程方面的应用 超导数字电路利用约瑟夫超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实
42、现二元信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息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件，其开关速可以制成开关元件，其开关速度可达度可达10-11秒左右的数量级，秒左右的数量级，比半导体集成电路快比半导体集成电路快100倍，但倍，但功耗却要低功耗却要低1000倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一倍左右，为制造亚纳秒电子计算机提供了一个途径。个途径。超导数字电路超导数字电路MPMS-5: SQUID磁强计磁强计MPMS-5Quantum Design精度：精度：10-9 emu温度：温度：1.9 400 K磁场：磁场：5 T超导滤波器超导滤波器CDMA高温超导滤波器样机高温超导滤
43、波器样机 清华大学研制的两清华大学研制的两套高温超导滤波系统在套高温超导滤波系统在中国联通中国联通CDMA移动通移动通讯基站已连续无故障商讯基站已连续无故障商业运行几年了。业运行几年了。 高温超导滤波器可高温超导滤波器可以显著提高通信基站的以显著提高通信基站的灵敏度和选择性，提高灵敏度和选择性，提高通信容量，降低手机的通信容量，降低手机的辐射率并提高通话清晰辐射率并提高通话清晰度。度。Conectus预测预测: 2010年年: 50亿美元亿美元 2020年年: 380亿美元亿美元超导材料应用前景超导材料应用前景 超导的实用前景似乎既远又近。近者，在人类生活超导的实用前景似乎既远又近。近者，在人
44、类生活中已得到了超导电性技术带来的好处，如医用的核磁共中已得到了超导电性技术带来的好处，如医用的核磁共振成象的超导磁体；同时在电子器件上的应用近几年将振成象的超导磁体；同时在电子器件上的应用近几年将会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、几乎无损耗输电、储能及平衡电网方面的计算机器件、几乎无损耗输电、储能及平衡电网方面的应用。应用。超导材料应用前景超导材料应用前景 利用超导隧道效应所制备的敏感元件，其能量分辨可以利用超导隧道效应所制备的敏感元件，其能量分辨可以接近量子力学测不准关系所限定的水平。这是其它器件所不接近量子力学测不
45、准关系所限定的水平。这是其它器件所不能达到的。同时，解决人类未来能源的基本技术是受控热核能达到的。同时，解决人类未来能源的基本技术是受控热核反应，而实现这一点必须使用无损耗的超导磁体。因此人类反应，而实现这一点必须使用无损耗的超导磁体。因此人类的未来离不开超导电技术，及其相关技术的发展。超导电技的未来离不开超导电技术，及其相关技术的发展。超导电技术将会在越来越广阔的范围里造福人类，而且对高温超导电术将会在越来越广阔的范围里造福人类，而且对高温超导电性机理的了解，将对凝聚态物理学的发展产生极为深远的影性机理的了解，将对凝聚态物理学的发展产生极为深远的影响。在本世纪超导电技术将会变得更为重要。响。
46、在本世纪超导电技术将会变得更为重要。超导材料应用前景超导材料应用前景超导体的三个重要的物理参数超导体的三个重要的物理参数 实现超导必须具备实现超导必须具备一定的条件，如温度一定的条件，如温度 、磁场、电流都必须足够磁场、电流都必须足够的低。的低。 超导态的三大临界条件：超导态的三大临界条件：临界温度、临界电流和临临界温度、临界电流和临界磁场界磁场，三者密切相关，相互制约。，三者密切相关，相互制约。临界温度临界温度临界温度临界温度(Tc): 超导体电阻突然变为零的温度；超导体电阻突然变为零的温度；MetalNbPbLaTaVHgSnInTc/K9.27.24.94.474.34.153.723.
47、4MetalTlRhPrThAlGaMoZnTc/K1.71.6971.41.381.1751.10.9150.85MetalOsZrAmCdRuTiUHaTc/K0.660.610.60.5170.490.40.20.128MetalIrLuBeWPtRhTc/K0.11250.10.0260.01540.00190.000325 CCs3C60MgB2Ba0.6K0.4BiO3Nb3GeNb3SiNb3SnNb3AlTc/K40393023.21918.118CV3SiTa3PbV3GaNb3GaV3InNb0.6Ti0.4Tc/K17.11716.814.513.99.8CHoNi2B2
48、CFe3Re2GdMo6Se8CoLa3MnU6AuZn3Tc/K7.56.555.64.282.321.21临界温度临界温度(Tc): 超导体电阻突然变为零的温度；超导体电阻突然变为零的温度；临界温度临界温度 超导体无阻载流的能力是有限的，当通过超导体中的电流超导体无阻载流的能力是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为电流称为临界电流临界电流(Ic)。 临界电流临界电流Ic(V)IV失超 目前，常用电场描述目前，常用电场描述Ic(V) ，即当每厘米样品长度上出现电压即当每厘米样品长度上出
49、现电压为为1 V时所输送的电流。时所输送的电流。 逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为所需的最小磁场称为临界临界磁场磁场，记为，记为Hc。正常态正常态HHc(0)TcT超导态超导态临界磁场临界磁场经验公式：经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)超导体的物理特性超导体的物理特性1、零电阻现象、零电阻现象(Zero Resistance) TTc在超导环上加磁场在超导环上加磁场 (b) TTc圆环转变为超导态圆环转变为超导态 (c) 突然撤去外电场，超导环中产生持续
50、电流突然撤去外电场，超导环中产生持续电流 (a) (b) (c) NNS降温降温加场加场S注：注：S表示超导态表示超导态N表示正常态表示正常态 迈斯纳效应又叫完全抗磁性，迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。把全部磁通量排出体外。超导体的物理特性超导体的物理
