淺談超導(dǎo)及超導(dǎo)材料的應(yīng)用
摘要：超導(dǎo)是超導(dǎo)電性的簡稱,是指某些物體當(dāng)溫度下降至一定溫度時,電阻突然趨近于零的現(xiàn)象。具有這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料.自超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)至今,超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)材料的研制已迅速發(fā)展,超導(dǎo)的臨界溫度已從開始的幾開升至幾十開甚至一百多開。但人們相信,隨著超導(dǎo)材料臨界溫度的提高和材料加工技術(shù)的發(fā)展,它將會在許多高科技領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:超導(dǎo),超導(dǎo)材料,臨界溫度
超導(dǎo)是超導(dǎo)電性的簡稱,是指某些物體當(dāng)溫度下降至一定溫度時,電阻突然趨近于零的現(xiàn)象。具有這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料.自超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)至今,超導(dǎo)的研究和超導(dǎo)材料的研制已迅速發(fā)展,超導(dǎo)的臨界溫度已從開始的幾開升至幾十開甚至一百多開;而且超導(dǎo)材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)已逐漸研究清楚。以液態(tài)氮溫度下低溫超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展獲得了成功,且已實現(xiàn)商品化,在醫(yī)療、電子輸送、運輸?shù)确矫娅@得應(yīng)用;高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn),是最近幾十年來物理學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域中的重大突破之一,已引起全世界廣泛關(guān)注,各國眾多科學(xué)工作者參與超導(dǎo)的研究與發(fā)展工作,人們將很快會感受到它給社會帶來的巨大變革。
1 超導(dǎo)材料的研究進(jìn)展
1911年一個叫昂尼斯的荷蘭物理學(xué)家做了一個試驗,他把水銀冷卻到-40℃時,亮晶晶的液體水銀像“結(jié)冰”一樣變成了固體,然后,他把水銀拉成細(xì)絲,并繼續(xù)降低溫度,同時測量不同溫度下固體水銀的電阻。當(dāng)他把溫度降到絕對溫度4K(相當(dāng)于-269℃)時,一個奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了,即水銀的電阻突然變成了零。這個奇怪現(xiàn)象不僅昂尼斯自己很感意外,而且轟動了物理學(xué)界,后來科學(xué)家把這個現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象,把電阻等于零的材料叫超導(dǎo)材料。昂尼斯和許多科學(xué)家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和8000多種超導(dǎo)化合物。但出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象時的溫度大都接近絕對零度,也就是-273℃的極低溫,沒有太大的實用可能性和經(jīng)濟(jì)價值。為了尋找可在比較高的溫度下有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料,世界上無數(shù)科學(xué)家為之奮斗了近60年,直到1973年,英美一些科學(xué)家才找到一種在23K(-25O℃)溫度出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮-鍺合金。此后這一紀(jì)錄又保持了10多年。參考。在無數(shù)人為尋找在高溫下有超導(dǎo)現(xiàn)象的材料時,幸運的貝特諾茨和繆勒在瑞士國際商用公司實驗室工作時,終于發(fā)現(xiàn)一種鑭銅鋇氧陶瓷材料在43K(-230℃)的較高溫度下出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象,前聯(lián)邦德國人貝特諾茨和美國人繆勒立即成了在科學(xué)界引起轟動的新聞人物。為此,他們獲得1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。此后,美籍華人學(xué)者朱經(jīng)武、中國物理學(xué)家趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的研究小組相繼發(fā)現(xiàn)了在98K(-175℃)和78.5K(-194.5℃)有超導(dǎo)現(xiàn)象的超導(dǎo)材料。更令人振奮的是,美國和日本等科學(xué)家在1991年又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后,也有超導(dǎo)性。參考。有些科學(xué)家預(yù)測,球狀分子碳60經(jīng)過摻金屬后,將來有可能在室溫下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,那時,超導(dǎo)材料就有可能像半導(dǎo)體材料一樣,在世界引起一場工業(yè)革命和科技革命。
2超導(dǎo)材料的主要特性
2.1 零電阻效應(yīng)
材料在一定溫度以下,其電阻為零的現(xiàn)象稱為材料的超導(dǎo)電現(xiàn)象。在一定溫度下具有零電阻超導(dǎo)電現(xiàn)象的材料,稱為超導(dǎo)體(Superconductor)。1911年荷蘭著名低溫物理學(xué)家昂納斯(H.K.Onnes)發(fā)現(xiàn)在T=4.1k下汞具有超導(dǎo)電性。采用“四引線電阻測量法”可測出超導(dǎo)體的R-T特性曲線,如圖所示。
圖中的為電阻開始急劇減小時的電阻值,對應(yīng)的溫度稱為起始轉(zhuǎn)變溫度TS;當(dāng)電阻減小到Rn/2時的溫度稱為中點溫度TM;當(dāng)電阻減小至零時的溫度為零電阻溫度T0。由于超導(dǎo)體的.轉(zhuǎn)變溫度還與外部環(huán)境條件有關(guān),定義在外部環(huán)境條件(電流,磁場和應(yīng)力等)維持在足夠低的數(shù)值時,測得的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度。
2.2 邁斯納效應(yīng)
1933年,邁斯納(W.Meissner)發(fā)現(xiàn):當(dāng)置于磁場中的導(dǎo)體通過冷卻過渡到超導(dǎo)態(tài)時,原來進(jìn)入此導(dǎo)體中的磁力線會一下子被完全排斥到超導(dǎo)體之外(見下圖),超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)榱?這表明超導(dǎo)體是完全抗磁體,這個現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。
邁斯納效應(yīng)示意圖
實驗表明,超導(dǎo)態(tài)可以被外磁場所破壞,在低于TC的任一溫度T下,當(dāng)外加磁場強(qiáng)度H小于某一臨界值HC時,超導(dǎo)態(tài)可以保持;當(dāng)H大于HC時,超導(dǎo)態(tài)會被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。臨界磁場強(qiáng)度HC,其值與材料組成和環(huán)境溫度等有關(guān)。 超導(dǎo)材料性能由臨界溫度TC和臨界磁場HC兩個參數(shù)決定,高于臨界值時是一般導(dǎo)體,低于此數(shù)值時成為超導(dǎo)體。
2 .3 同位素效應(yīng)
超導(dǎo)體的臨界溫度TC與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M 越大,TC越低,這稱為同位素效應(yīng)。參考。例如,原子量為199.55的汞同位素,它的TC是4.18開,而原子量為203.4的汞同位素,TC為4.146開。M與TC有近似關(guān)系: =常數(shù) 2 .4 約瑟夫森效應(yīng) 當(dāng)在兩塊超導(dǎo)體之間存在一塊極薄的絕緣層時,超導(dǎo)電子(對)能通過極薄的絕緣層,這種現(xiàn)象稱為約瑟夫森(Josephson)效
應(yīng),相應(yīng)的裝置稱為約瑟夫森器件。如圖所示。
當(dāng)通以低于臨界電流值I0時,在絕緣薄層上的電壓為零,但當(dāng)電流II0時,會從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài),出現(xiàn)電壓降,呈現(xiàn)有阻態(tài),這種器件具有顯著的非線性電阻特性,可制成高靈敏度的磁敏感器件,應(yīng)用在超高速計算機(jī)等場合。
3 超導(dǎo)材料及應(yīng)用
3 .1低溫超導(dǎo)材料
具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度(Tc30K=在液氦溫度條件下工作的超導(dǎo)材料,分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導(dǎo)金屬是Nb(鈮),Tc為9.3K已制成薄膜材料用于弱電領(lǐng)域。合金系低溫超導(dǎo)材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體,Tc在9K以上。低溫超導(dǎo)材料已得到廣泛應(yīng)用。在強(qiáng)電磁場中,NbTi超導(dǎo)材料用作高能物理的加速器、探測器、等離子體磁約束、超導(dǎo)儲能、超導(dǎo)電機(jī)及醫(yī)用磁共振人體成像儀等;Nb3Sn超導(dǎo)材料除用于制作大量小型高磁場(710T)磁體外,還用于制作受控核聚變裝置中數(shù)米口徑的磁體;用Nb及NbN薄膜制成的低溫儀器,已用于軍事及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域檢測極弱電磁信號。低溫超導(dǎo)材料由于Tc低,必須在液氦溫度下使用,運轉(zhuǎn)費用昂貴,故其應(yīng)用受到限制。
3.2 高溫超導(dǎo)材料
具有高臨界轉(zhuǎn)變溫度()在液氮溫度條件下工作的超導(dǎo)材料,主要為多元系氧化物,高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn),突破了溫度壁壘,把超導(dǎo)應(yīng)用的溫度從液氦提高到了液氮(77K)溫區(qū)。同液氦相比,液氮是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷媒,并且具有較高的熱容量,給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。另外,高溫超導(dǎo)體都具有相當(dāng)高的上臨界場(Hc2(4K) 50T),能夠用來產(chǎn)生20T以上的強(qiáng)磁場,這正好克服了常規(guī)低溫超導(dǎo)材料的不足之處。高溫超導(dǎo)材料用途非常廣泛,大致可分三大類:大電流應(yīng)用、電子學(xué)應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用. 大電流應(yīng)用
是由于超導(dǎo)材具有零電阻和完全的抗磁性,因此只需消耗極少的電能,就可以獲得的穩(wěn)定強(qiáng)磁場.可用于制交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī),利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場提高到5萬~6萬高斯并沒有能量損失,且單機(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﹪;可用于磁流發(fā)電機(jī),利用高溫導(dǎo)電性氣體作導(dǎo)體不,并高速通過5萬~6萬高斯強(qiáng)磁場而發(fā)電,而且這種發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單和高溫導(dǎo)電性氣體可重復(fù)利用的優(yōu)點;可利用超導(dǎo)輸電線路利用超導(dǎo)導(dǎo)線和變壓器可以幾乎無損耗地輸送電能,椐統(tǒng)計,按目前情況,如果將銅或鋁導(dǎo)改為超導(dǎo)體,光是在中國節(jié)省電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠. 超導(dǎo)材料在這些方面的應(yīng)用是最誘人的;電子學(xué)應(yīng)用包包括超導(dǎo)計算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等; 抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等.目前,超導(dǎo)材料仍處于試驗研究階段。但人們相信,隨著超導(dǎo)材料臨界溫度的提高和材料加工技術(shù)的發(fā)展,它將會在許多高科技領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。
4 結(jié)語
超導(dǎo)材料的研究是當(dāng)今世界上一門新興的科學(xué)技術(shù)由于超導(dǎo)材料能影響人類生存的許多重要領(lǐng)域,各國的材料科學(xué)家都在競相探索它的結(jié)構(gòu),研究它的性能,以求率先找到具有高臨界溫度的超導(dǎo)材料�？梢赃@樣說,高溫超導(dǎo)材料的突破,必將深刻地促進(jìn)尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,從而加速人類文明的進(jìn)程。含苞待放的超導(dǎo)之花,必將帶來一個繽紛的世界。
[ 參 考 文 獻(xiàn)]
[1] 馬文蔚,蘇惠惠等.物理學(xué)原理在工程中技術(shù)中的應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,1992.
[2 ] 李斌 . 新科技啟蒙[M]. 北京 :中國勞動社會保障出版社,2001.
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