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超导材料的种类及应用.doc

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超导材料的种类及应用篇一:超导材料特性与应用 功能材料概论 ——论超导材料特性与应用 摘 要:材料是一切技术发展的物质基础。在功能材料中,超导材料具有优越的物理、化学性质,目前已被广泛接受和认同,具有良好的发展前景。 关键词:超导材料 特性 前景 能源、信息和材料是现代文明的三大支柱,而材料又是一切技术发展的物质基础。其中功能材料是新材料领域的核心,是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能,特殊的物理、化学、生物学效应,能完成功能相互转化,主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用,还对我国相关传统产业的改造和升级,实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用,它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点,也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。 一、超导材料的发现 1911 年,荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时,首先发现了超导现象。后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零,即具有超导现象。物质在超低温下,失去电阻的性质称为超导电性,相应的具有这种性质的物质就称为超导体。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。目前,超导材料已被广泛接受和认同,具有良好的发展前景。 二、超导材料的分类 1、超导元素 在常压下有 28 种元素具超导电性,其中铌(Nb)的 Tc 最高,为 9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb),已用于制造超导交流电力电缆、高 Q值谐振腔等。 2、合金材料 超导元素加入某些其他元素作合金成分,可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr) ,其 Tc 为 10.8K,Hc 为 8.7 特。继后发展了铌钛合金,虽然 Tc 稍低了些,但 Hc 高得多,在给定磁场能承载更大电流。目前铌钛合金是用于 7~8 特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金,性能将进一步提高。3、超导化合物 超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的 Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5 特。其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24 特;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30特。 4、超导陶瓷 20 世纪 80 年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于 1986 年在镧-钡-铜-氧化物中发现了 Tc=35K 的超导电性。1987 年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现 Tc 处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。三、超导材料的参量 1、临界温度 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度,以 Tc 表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低 Tc 是钨,为0.012K。到 1987 年,临界温度最高值已提高到 100K 左右。2、临界磁场 使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度,以 Hc 表示。Hc 与温度 T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2],式中 H0 为 0K 时的临界磁场。 3、临界电流和临界电流密度 通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破坏而转变为正常态,以 Ic 表示。Ic 一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的 Ic 称为临界电流密度,以 Jc 表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件,因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以 Tc 为例,从 1911 年荷兰物理学家H.开默林-昂内斯发现超导电性(Hg ,Tc=4.2K)起,直到1986 年以前,人们发现的最高的 Tc 才达到23.2K(Nb3Ge,1973)。1986 年瑞士物理学家 K.A.米勒和联邦德国物理学家 J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性,从而将 Tc 提高到 35K。之后仅一年时间,新材料的 Tc 已提高到 100K 左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景,米勒和贝德诺尔茨也因此荣获 1987 年诺贝尔物理学奖。 四、超导材料的特性 1、零电阻(来自:www.XIelw.Com 写 论文网: 超导材料的种类及应用)性超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。超导现象是 20 世纪的重大发明之一。科学家发现某物质在温度很低时,如铅在 7.20K(-265.95 摄氏度)以下,电阻就变成了零。 2、完全抗磁性 超导材料处于超导态时,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透入,超导材料内的磁场恒为零。1933 年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点。把锡单晶球超导体在磁场(H≦Hc)中冷却,在达到临界温度 Tc 以下时,超导体内的磁通线一下子被排斥出去;或者先把超导体冷却至 Tc 以下,再通以磁场,这时磁通线也被排斥出去,即在超导状态下,超导体内磁感应强度 B=0。这就是迈斯纳效应。 3、约瑟夫森效应 两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约 1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后,绝缘层两侧出现电压 U(也可加一电压 U) ,同时,直流电流变成高频交流电,并向外辐射电磁波,其频率为,其中 h 为普朗克常数,e 为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 4、同位素效应 超导体的临界温度 Tc 与其同位素质量 M 有关。M 越大, Tc 越低,这称为同位素效应。例如,原子量为 199.55 的汞同位素,它的 Tc 是 4.18 开,而原子量为 203.4的汞同位素,Tc 为 4.146 开。 五、超导材料的机理 当前在阐明超导机理的几种理论中,二流体模型是较有说服力的,较为流行的一种。二流体模型认为:超导体处于超导态时,传导电子分为两部分,一部分叫常导电子,另一部分叫超流电子,两种电子占据同一体积,彼此独立运动,在空间上互相渗透;常导电子的导电规律与常规导体一样,受晶格振动而散射,因而产生电阻,对热力学熵有贡献;超流电子处于某种凝聚状态,不受晶格振动而散射,对熵无贡献,其电阻为零,它在晶格中无阻地流动。这两种电子的相对数目与温度有关,TTc 时,没有凝聚;T=Tc 时,开始凝聚;T=0 时,超流电子成分占 100%。这就是二流体模型的理论观点。它很好的解释了超导体在超导状态时零电阻现象。 六、超导材料的应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约,这首先是它的临界参量,其次还有材料制作的工艺等问题。到 90年代,超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电;可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快 10~20倍,功耗只有四分之一。 七、超导材料的前景 超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。自 1911 年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今,世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究,特别是进入 20 世纪 80 年代以来,随着 1987 年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物,将超导临界温度提高,使超导体前进了一大步,从而引起了一场前所未有的“超导大战” 。近年来,世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发,不断推动超导技术产生新的飞跃。当日本宣布获得了 175K 的超导材料后不久,美、中、俄、联邦德国、丹麦等国也都相继有了突破性的研究报告,有的甚至已看到了 308K 的超导迹象,即已达到常温的转变温度。这表明,超导技术广泛应用的时代即将来临。 未来十年是高温超导市场发展和材料产业化的十年。据预测,2010 年和 2020 年,世界超导市场将分别达到 300 亿美元/年和2440 亿美元/年。在不久的将来,我国的能源、医疗卫生、电子技术和科学仪器等方面将会迫切需要超导技术。超导体的应用将导致一场新技术革命。篇二:超导材料的发展应用及其研究现状 超导材料的发展应用及其研究现状 材料五班 王新博 14089840510 超导材料的发展应用及其研究现状 王新博(佳木斯大学材料科学与工程学院黑龙江省佳木斯市 154000) 摘要:电在传送过程中有巨大的损失,科学家们开发出了超导材料,本文中主要要介绍了超导材料的发现与发展历史,以及超导材料的存在条件和超导材料的性能之间的关系,并且加以介绍了金属元素之间的组合在什么情况下可以加工成为超导材料以及合金超导材料的性能和单质金属的超导材料的性能之间的差异,简要介绍了超导材料的应用。 关键词:新型超导材料的发展历史,解析,应用 The development of superconducting material application and research status Wang Xinbo (jiamusi university materials science and engineering college of heilongjiang province jiamusi 154000). Abstract: there is a huge loss in transmission process, scientists have developed a superconducting material, this article is mainly to introduce the history the found and development of superconducting materials, superconducting materials, as well as the existence of the relationship between the condition and the performance of the superconducting material, and it introduced the combination between metallic element under what circumstances can be processed into superconducting material and the performance of the alloy superconducting material and elemental metals of the difference between the performance of the superconducting material, this paper briefly introduces the application of superconducting material. Key words: the development history of new superconductor materials, parsing, application 超导材料的发展: 在人们的日常生活中,点已经变的不可缺少的能源,然而在从发电厂传送到我们用户这个过程中,有大量的电能被损失掉了,而这损失是一笔对于国家发展的重要阻碍。在这时人们发现了一种可以在传输过程中没有能量损失的新型材料-超导材料。从17世纪阿蒙顿提出了绝对零度的概念。同时伴随着这个人们发现良导体的金属材料随着温度降低,电阻变小。当到达绝对零度-273. 15K时,电阻完全消失。这是中学的概念。 1908年7月10日,荷兰的莱顿实验室在卡麦林·昂尼斯再将氦液化成功,为之后的超导材料的研究创造除了极低温度的研究环境,4.25-1.15K。1911年昂尼斯发现了纯水银(Hg)在4.2K时电阻降低至一起无法显示测量,可以近似的看成达到了超导态。 到了1953~1985年,人们才真正的用合金及金属化合物超导体的发现冲破了阻碍超导体应用的磁-电壁垒。从这时起才真正的揭示并了解了超导体的本质,建立了超导体的基本理论。 (我认为这是因为极低温度使材料分子的热运动改变,从而使分子的空间点阵或者说是分子的运动频率运动非常缓慢以至于无法对电流起到阻碍的作用,从而出现了物质的超导态。) 人们发现的具有超导电性的化学元素一共有28根据(表一:一些超导元素的超导转变温度)中发现的最高温度的超导性元素所需温度9.25K。1954年马梯阿斯发现了超导材料 Nb3Sn,这种物质Tc=18K,而到了1968年他有把Tc 提高到了将近21K,这个记录保持了好几年,1973年物理学家得到了Tc=22.3K的Nb3Ge 薄膜之后泰斯塔迪等人又将温度提高到了32.2K。到了1986年一个研究发现了超导材料,可在77.4K的液氮环境中研究的新型超导元素,使之前的‘温度壁垒’又一次被刷新。 超导材料的种类: 根据我的阅读的文献来看:超导材料可以分为几类:第一类:从成分的角度来分如图一中的单质,第二类:超导合金材料在一中的单质稍微加入一点其余的元素可以使之转变成超导态的温度得到提高,但对磁场的要求就在原来的基础上就大了很多。第三类:超导化合物,在上述的情况下大比例加入其他元素,可使转变成超导态温度大幅度的提高。第四类:在1986年日本宣布研制的Tc=37.5K的陶瓷超导材料。我认为这种陶瓷超导材料可以认为是有机超导材料。 (在‘我国超导材料技术研究及展望’中分类还有低温超导材料和超高温超导材料) (‘新型超导材料的研究展望’根据每种超导材料中的金属种类分为一元,两元,三元) 超导材料的影响因素及其参数: 有些超导元素的临界温度为1.15K。而以水银掺杂得到的Hg2Ba2Ca2Cu3O10 在常压下临界温度达到了134K。(图 1 不同超导化合物临界温度升高与时间的关系图像) 临界温度的提高与年限的关系。那为什么同样是超导材料,但性能为什么差了这么多呢?通过我的阅读,我认为有一下几个因素限制。第一个:材料转周围的磁场强度。第二个:通过超导材料的电流大小。第三个:材料转变超导态的临界温度.第四个:材料的本身物质结构(元数) 。 分类的原因: 首先:材料本身结构对超导临界温度的影响。材料MgB2 在20世纪50年代已经是早已熟悉的材料,2001年才发现是超导材料。面对以前的超导材料临界温度低,价格昂贵,合成超导材料的脆性大,而有了MgB2 就轻易解决了。 (如图2 MgB2 结构图):这种物质相比于前面的价格就很大程度的降低了,而在性能方面上却成功了。这种物质是简单的AB2 型结构并在这中间穿插B型元素,类似于石墨的层状结构。比原有的纯金属的其他结构性能有了很大的提高 。 其次,是材料成分对性能影响:通过前面的分类有一种分类为根据超导材料的元数(即:一种超导材料中主要元素和除主要元素外的元素一共有多少类。元指的就是这些元素的类。 )例如:说:‘铜氧化物高温超导’典型的就有La-Ba(Sr)-Cu-O体系。La2CuO是具有正交对称性绝缘体,Y-Ba-Cu-O体系Bi-Sr-Ca-Cu-O体系,TI-Ba-Ca-Cu-O体系。 。 。 。 。 。 。而我们设元数为 n,n=3时,此超导相的转变温度为最高值134K;当 n=4时Tc 开始下降,当 n=85K。(如图3氧化物超导中的准例子能隙随着空穴掺杂) (如图3氧化物超导中的准例子能隙随着空穴掺杂) 最后,为大家介绍一下材料周围的温度,穿过材料的磁场的大小以及通过材料的电流大小对材料的超导性的影响:(如图2:在不同磁场下,YBCO材料的电阻与温度的关系) 随着磁场增加超导态的临界温度移向低温处,当超导体中通过电流又会产生磁场,因此超导现象只能存爱于电流,温度和磁场三种限制因素的一定的范围内。而超导态现象的存在与消失也与这几个条件有着密不可分的关系。例如 ,Nb3Sn,NbTi当外加磁场增大时临界电流降低,在低温区,加以很高的磁场临界电流会变成0.用这种材料研制的输电设备会节约很多的能源,可以给我们国家带来很大的经济效益。 (如图4:在不同磁场下,YBCO材料的电阻与温度的关系) 超导材料的应用 我们多认识的超导材料应用在输电方面上为主。但是,还有许多方面也用到了超导材料。篇三:超导材料 神奇的超导材料 超导材料的主要特征是有零电阻性.抗磁性和约瑟夫森效应也是它们的主要优点.就目前情况石,超导产品已经成功应用的是低温超导材料制成的各种仪器,主要包括: (U 高能物理强磁场、大孔径的超导磁体、如加速基本粒子磁体,汽泡室磁体,等等. (2)临床医学的超导磁共振成像(磁共振 CT). (3)振动样品磁强计(vsM)和其他需要强磁场的科技仪器. (4)超高灵敏的科学仪器,这些仪器以超导量子干涉器件(SQUID)为基础.这些仪器配有超导磁体,如SQUID 磁强计. (5)超导电压基准. 高温超导材料问世以来,超导转变温度有显著提高,使超导技术有可能不再依赖液氮,从而避免了技术复杂、设备庞大、制冷费用过高等缺点.虽然高温超导材料还正任发展阶段,但是它们的成材工艺,应用技术已经日臻成熟,性能价格比不断提问,说明正处于大规模应用的前仅.可以说高温超导体的出现不仅会扩大已经有的超导应用领域,而且会在能源、交通、采冰、环保等需要大量电能的产业,在无线通讯、生命科学、无损检测等需要超高灵敏度的产业等方面开辟新应用领域.使整个社会生产 JJ 发生重大的、革命性的变化. 超导材料有零电阻性、这意味着超导材料通上电流后是不消耗电能的,是一种彻底的节能材料,在强背景磁场中超导材料具有很高的临界电流密度.这个特性使较少的超导材料就能通过很大的电流.使得强磁场超导磁体体积小,可移动性大,也有利于降低造价和运转成本.超导材料的临界磁场高,这使它们有可能成为强磁场材料.比如说,高温超导体 (YBa2Cu3O7)系列材料的上临界磁场在液氦温度下有 100T 的数量级,用它们做成的超导磁体也可以产生同样强的磁场.总之,超导磁体的优点很多,大体可以分为以下几方面: (U 节省能量.理论上超导磁体不消耗电能,所以超导磁体是一种“零功率热机”(只产生磁场,不消耗能量的机械).实际上,一个能产生 10T 场强,孔径为 1 厘米数量级小型超导磁体的导线电阻很小,加上引线电阻和接触电阻等各项损耗总共不超过 200 瓦,而产生同样磁场和有同样孔径的常规磁体能耗至少 2000 千瓦.即使考虑到维持超导磁体的低温环境所需要的能量,大型超导磁体也是比常规同类磁体节能的. (2)建造成本和运转费用低.对大型磁体来说这些优点特别明显.以一个直径为 3.5 米、产生磁感强度为 2 特的磁体为例,超导磁体和常规(铜线绕成)磁体相比,超导的建造和运转总费用是 262 万美元,常规的是 638 万美元. (3)体积小、轻便.—个能产生直到 20T场强的超导磁体的体积只有几升,重量几干克(参见图1.1).这样的超导磁体加上冷却系统仅仅和人体大小可比拟,非常适合实验室使用.而且磁场质量好,购买价格和运转成本都可以为大多数科研实验室接受,所以已经广泛使用.然而,同样场强的常规磁体重量超过 20 吨,另需庞大的冷却系统,占据空间大,有些场合无法使用,超导磁体发明以前,能提供 2.5T 以上磁场的实验室在世界上也算不错了。 (4)超导磁体还容易产生各种要求的磁 场,如匀强磁场、高梯度磁场等.磁场质量 高,有效磁场空间大,整体体积小,因此占 用的房屋面积小,使用费用可以接受,这些 都是磁共振 CT 选用超导磁体的主要理由. 世界上已有实验室用超导磁体的场强最 高超过 20 特,磁场区的孔径和高度可从毫 米量级到米量级.磁体用的材料,8 特以下 的磁体大部分用铌钛合金多心复合稳定材 料.8T 以上的一部分是用铌钛合金多心复合材料和铌三锡材料混合绕制而成的,叫混合超导磁体,另外一部分是全铌三锡滋体.大约 20T 以上场强的磁体采用全常规材料和超导—常规材料混合磁体. 利用超导磁体作背景场,场强可以高达2T 特的磁强计有许多种,但是最重要,也是最普通的是超导量子干涉仪(SQUID)和振动样品磁强计(VSM).世界上最强的人为的稳恒磁场是在美国佛罗里达的强磁场实验室中实现的:这个实验室实现了 45T 的稳恒磁场.这个设备中的磁体是超导和常规材料共同做成的混合型磁体.一般是超导材料放在场强低的地方(磁体的外部,那里场强低,超导材料可以承载大超导电流)常规材料在场强高的部位(内部,那里磁场强,常规材料载流能力受磁场影响很小. 磁共振断层扫描成像仪已经是许多医院都配备了的大型医学诊断设备,是大众用得起的“普及设备” ,也是超导材料直接和人民大众接触,为大众服务的最好的例子(图].3).这个仪器的关键是一个超导磁体.因采用超导磁体,磁场稳定性好、不均匀度的品质能够足以确定人体待测量软组织的位置,磁场区体积大,磁场强,大大改善系统的灵敏度、分辨率.该项设备在我国的医院虽已逐渐普及,但主要依赖进口。近年来国内亦已开始组织试生产. 临床共振:在磁场中核自旋能级分裂.—个能级的分裂值 AE 可以用频率为f 的交变场共振来探测:如果交变磁场的频率满足 AE=hf出现共振峪,h 是普朗克常数.磁场越强,能级分裂越大、吸收峰对应的频率也越高.测量灵敏度也越高.物质不同,原子量不同,核自旋共振频率不同.物质的环境和浓度不同,测出的信号的强度及其变化(例如随时间的变化)也不同.于是,就可以测出物质的种类及其浓度了. 审查细胞磁共振 CT:磁共振摄谱学和成像技术可以应用到各种各样的问题上.这样说虽然并不夸张,但是目前它们主要还是应用于生物科学.例如用于神经学研究。—个小组正在利用磁共振谱学研究神经肽在神经组织中的功能,并巳取得了不少成绩.滋共振技术中的信号/噪声比随磁场强度的增加而降低.因而,为在磁共振仪中获得高磁场强度的努力在近 20 年来一直持续不断,这实际上也是磁共振技术中使用的磁场强度不断提高的原因.在这些设备上进行的生物体内摄谱研究是不断发展的.目前所能达到的时间—空间分辨率主要受到所用磁体的孔径和场强的限制.在比较大的动物身上(如兔子和老鼠)用标准的方法可以达到 0.1—0.5毫米的空间分辨率.对于比较小的动物(小于 1 毫米),置于强磁场中时最高分辨率达到了 10—20 微米。现在,在强磁场中对体外(在切下来的样品)和体内( 在动物身体上)瞄共振成像和摄谱学能够达到获得单个细胞水平的信息. 超导材料与能源工业 高能物理:海水中含有丰富的氢同位素.如果将氢同位素的核能用热核聚变反应释放出来,那么 1 升海水释放的能量就相当于 300 升石油的燃烧 海水可以说是取之不尽,用之不竭了吧!如果能够用安全而又经济的技术将海水中氢同位素的核能释放出来,人类能源问题不是解决了吗?可是,受控聚变热核反应堆中温度高达兆摄氏度以上,耐这样高温的炉子该选用什么材料做呢?这样高温下物质都在电离的气体状态,叫等离子体.离子右磁场中将围绕磁力线回旋运动.磁场越强,回旋半径越小.于是就可以用强磁场来约束等离子体,这样的磁体叫约束磁体,用常规磁体来做这样的约束磁体是无法想象的.一个约束磁体就是一个“磁炉” .所以实现受控聚变热核反应必需一个超导磁体以在数十立方米的广大空间内产生十几 T 的磁场作为热核反应的炉子. 电能运输超导电力电缆在理论上可以无损耗地输送电能.因为一切载流导线的能量损耗都是因为导线有电阻;能量损耗正比于导线电阻.常规输电采用高压就是为了减少导线上能量损耗.但是常规输电即使采用高压线,损耗仍很大.据测算,使用高温超导电缆比电线的总成本(建设、运输等)低约 15%.超导电缆可埋于地下,节省土地,保护环境. 电能生产 发电机的一个特点是单机容量越大,效率越高,越经济合算.但是.与此同时.发电机越大.技术要求也越高.例如,庞大的电机转子以高速旋转时材料的强度就不足以达到相应的离心机的要求,运输也有困难.所以,一万面用常规导体制成的发电机,随着科学技术的发展而日渐大型化,另一方面由于导线发热和散热技术以及材料的强度等限制,单机容量的极限日益逼近,这个极限据估计约为 200 万千瓦.如用超导发电机,则因体积小、重量轻,至少可将电机容量提高 5—10 倍。未来特大容量的发电机势必考虑超导化. 电能储存由于昼夜用电不均衡,往往白天供电不足,夜晚有余.夜晚无法利用的电力会白白浪费掉.就是白天用电量也是不均衡的.可考虑将多余电能输进巨型超导磁体,在用电高峰时再放出.对于这些储能技术,理论测算的回收电能效率可达 90%. 电能节省 在节能和动力方面的应用还有超导电动机,它有节省能量、单位出率的重量和体积小、噪声小等优点.例如超导线的电流密度可达 1 万安/厘米 2.而常规导体材料的极限电流密度不到此位的 1%.按1%算,就可把导线的截面积缩小到 1%,则轻便的机电设备将会代替“重型机电设备” .轻便、低噪声、机动灵活、功率大的电动机特别受到军事部门(例如潜水艇用电机)的重视. 各国都是选用银包套 BiSrCaCuO(Ag—Bi2223)带材作为高温超导电力电缆材料.多数研究选用液氮作为制冷剂.国产 Ag—Bi2223 带材的超导部分面积约 0.1mm2,包括银包套在内的总截面积约增加 10 倍.可是它能传输几十安培的电流而不损耗能量,即临界电流是几十安培.我国的高温超导电力电缆材料短样临界电流密度达到了世界先进水平,正在对长距离的带材制备技术进行攻关. 1998 年,Pirelli 电缆和系统北美公司宣布他们将制造高温超导电力电缆,并在底特律爱迪生供电站安装和试验.这个商业规模的电力电缆将为密歇根州 200 万用户服务.项目的实施使Pirelli 公司走在高温超导电力电线开发和应用的前列,另外一个在同类项目上做了大量工作的是佐治亚州的南线公司。他们从 1995 年开始获得了政府和工业界约 1500 万美元的投入,用于高温超导电缆的研发工作,并且很有成效.从南线公司的—个高温超导电力电缆试验现场可以看到,高温超导电力电缆已经是输电电缆系统的一部分.连接在公共供电网中的高温超导电力电缆系统正在运行,对样机各方面的性能的综合试验已经完成,正在对安全可靠性进行长时间的观察. 日本住友公司已经完成大部分高温超导电缆技术大规模应用的试验.日本位友公司研究组已经研发试验过若干种电缆.其小有 7 米长,3 相 100 兆伏安,冷绝缘电缆;30 米长,单相 100 兆伏安,冷绝缘电缆. 丹麦的这个公司用是热绝缘电缆技术,现在能够做 700 米长,24千安/厘米 2 临界电流密度的高温超导带材.更长的 1200 米的带材也已经研制成功. 储能飞轮:电和水、粮食以及各种其他物资等一样要有储备.因为,白天用电多,晚上用电少,大热天用电多,气温适中时闻电少等等.用电多时供电紧张,供电质量不好,甚至停电.用 电少时发电厂要浪费.要是能把电能储存起来就好:既保证了供电,又减少了浪费,还提高了供电质量.水库、粮库、各种仓库都是用来储存相应物资的.电能什么来储存呢?电容器是能储存电能的.可惜电容器不仅储能容量小而且只储存静电能,不能在电力电网使用。 水力发电是将水库中水的势能转化为水轮机的动能,并同时转化为电能.抽水蓄能电站则把这个过程倒过来;电能多余时用来扬水进水库,将电能转化为水的势能,到用电时就放水发电.这是目前应用的电能储存方法之一.我们国家在广东、西藏、江苏和北京等省市就已经有了和正在建设这种类型的大型扬水蓄能电站.飞轮蓄能就是用富裕的电能把多个巨型飞轮高速转动起来,变成了动能.需要电力应用时则把过程倒过来;将飞轮的动能恢复为电能.我们知道,转动的轮子会逐渐失去它的转动动能,慢慢地停下来,这是因为存在摩擦.摩擦力把轮盘的动能转化为热能了.摩擦主要存在于文撑它的轴承处.对于高速转动的飞轮,它和中气的摩擦也是重要的,也会使飞轮动能损耗掉.所以普通的飞轮是不能长时间保持其动能不变的.将飞轮密封于真空中可以克服空气摩擦阻力.要克服轴承上的摩擦,用通常减少摩擦的方法在蓄能飞轮的滚珠轴承上涂润滑油就不够了.于是就发明无摩擦轴承” .让飞轮被排斥而悬浮在真中也就不用什么轴承的,也就没有轴承和空气的摩擦问题了.超导体有抗磁性,也就是迈斯纳效应.迈斯纳效应使超导体能够排斥其他磁性体.如果飞轮是一个在真空中的大磁性体,比如说永久磁铁环,置于超导体的上方,它就因下方超导体的排斥而悬浮空中了.所以,超导体将飞轮支撑在它的上方,起了飞轮的轴承的作用. 除了公共应用,高温超导飞轮储能还可以应用于太空事业.波音公司声称他们将是把飞轮蓄能应用于人造卫星利宇宙空间站以取代昂贵的太阳能电他的主要单位.与飞轮蓄能不同,太阳能电池不仅昂贵,而且不耐久,它们在充几次电后就失效了。只要简单地用飞轮代替太阳能电池,人们就可以延长卫星的寿命了.飞轮蓄能系统可在几秒到几分钟的时间内使供电系统稳定而不受停电这样的干扰.它们能够代替电池组工作以使备用发电机工作更长的时间。和小型超导磁体蓄能设备—样,飞轮蓄能系统比无干扰电源的电池蓄能对环境更有利.波音公司自己有一套兆瓦级的电池蓄能系统.但测算表明,飞轮蓄能系统的寿命循环成数要比电他的低 5 倍之多.目前测算、飞轮蓄能系统至少能达到提供 100 千瓦时电能的水平.无论对蓄能器容量的大小要求如何,都可以像搭积木式将飞轮蓄能器连接起来以满足容量不同的各种用户的要求. 超导磁悬浮列车 磁悬浮客车可以是常规(磁体)的,也可以是超导(磁体)的.关于当今世界上磁悬浮客车发展情况,先看一段刊登在 2001 年 8 月 16 日的新华日报上的标题为“首辆国产磁悬浮客车下线”的新闻:“新华社长春8 月 14 日电 我国第一辆国产磁悬浮客车今天在长春竣工下线,这标志着我国继德国和日本之后成为第三个掌握磁悬浮客车技术的国家.这辆磁悬浮客车是由长春客车厂、西南交通大学和株洲电力机车研究所联合开发研制的.这辆磁悬俘客车为常导吸附式磁悬浮车,采用电磁吸力将车辆浮起,与轨道间距离始终保持在 8—10 毫米之间,采用直线电机驱动车,推进速度取决于直线电机的牵引力、运营时速 60 公里,最高试验时速可达 I00 公里。由于没有轮轨与车体之间的摩擦阻力,车辆远行时具有平稳舒适、低噪声、无污染等优点.这辆磁悬浮客车将在成都青城山完成各项性能试验后投入商业运营. 所谓超导列车,就是在列车上安装强大的超导磁体,地上的轨道则是一系列的优质的永久磁体(例如钕铁硼).当车辆行进在轨道上方时、车上的超导磁体排斥在地上的永久磁体,两者的斥力足以将车子浮起来离开轨道.车辆在电机牵引下无轨道摩擦地前进、时速可高达 500 公里.地上的轨道也可以不是永久磁体而代之以金属环状线圈,当车辆行进在轨道上方时车上的超导磁体排斥在地上的线圈小感应出的相反的磁场。日本铁路技术研究所开发的超导磁悬浮列车 MLX01 号在 1997 年12 月 27 日进行的 18.4 公里试验中成功地达到了时速 550公里的世界记录.这个速度记录超过了预定的 500 公里/小时这一将来日本超导磁悬浮列车商业运营的速度.
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