超导技术及其应用

在这个追求速度和效率的时代，人们越来越不能容忍这样一种现象:大约30%的电能在电流传输过程中被转化为无用的热量。虽然导体很容易通过电流，但是它们仍然有一些电阻，超导体是唯一没有这个问题的材料。超导体是在低温下一点电阻都没有的物质，通过它们时不会失去任何电流。最早的超导体是由荷兰物理学家卡迈林-阿格尼斯在1911年发现的，当时他发现汞(水银)在4.2K(-269℃)的热力学温度下不再有电阻。今天，人们已经发现许多材料在一定条件下可以变成超导体。最重要的条件是极低的温度。超导性质通常发生在-200℃以下。当温度升高时，原来的超导状态将变得正常。超导体有许多特殊性质，当然最重要的是零电阻。人们做了实验，让电流在由超导*成的圆环中流动。电流可以持续一年不损耗。通过对超导理论的研究，人们对超导有了深入的了解。人们发现，在超导体中，一些电子形成特殊的电子对，从而使物体表现出超导性。超导体可以用于非常大的用途，这也是各国科学家研究超导性的一个重要原因。使用超导体传输电能可以大大降低消耗。由高温超导材料制成的电缆的载流量是常用铜线的1200倍。超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造粒子加速器，例如磁悬浮列车，它可以以每小时500公里的速度运行。利用超导体对温度非常敏感的特性，可以制造出灵敏的温度探测器。超导材料最有吸引力的应用是发电、传输和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，所以可以以很小的功耗获得超过100，000高斯的稳定强磁场。然而，为了通过使用常规导体作为磁体来产生如此大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能和大量的冷却水，并且投资巨大。超导磁体可用于制造交流超导发电机、磁流体发电机、超导传输线等。经过70多年的发展，超导材料所能达到的最高临界温度只有23.2摄氏度，还没有把液氦的温度切断。液氦价格昂贵且冷却效率低，这使得液氦难以广泛使用。目前超导体仅用于一些复杂的设备(如粒子加速器)。如果要应用超导体，首先必须易于使用。人们现在不断寻找新的超导体，其主要方向是寻找能在更高温度下存在的超导体材料，即“高温超导体”(这里的高温相对较高)。20世纪80年代末，世界上对高温超导体的研究出现了高潮。1986年，氧化物超导体出现，临界温度超过125K。在这个温度范围内，超导体可以用廉价而丰富的液氮冷却。从那以后，科学家们为在高压下将临界温度提高到164℃(-109℃)进行了不懈的努力。1998年，中国科学家成功研制出第一条铋基高温超导传输电缆。这一成功极大地推动了中国高温超导技术的实用化进程。高温超导材料应用广泛，大致可分为三类:大电流应用(大电流应用)、电子应用(弱电流应用)和抗磁应用。大电流应用是前述的超导发电、传输和能量存储；电子应用包括超导计算机、超导天线、超导微波设备等。反磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆。