有些材料当温度下降至某一临界温度时,其电阻消失,这种现象称为超导电性。具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是:当电阻消失时,磁力线将不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。
一般金属(如铜)的电阻率随温度的下降而逐渐减小,当温度接近于0K时,其电阻达到某一值。1919年,荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K(即-269℃)时,发现水银的电阻完全消失。图9-3所示为铜(Cu)与水银(Hg)的电阻率随温度变化的曲线。
图9-3 铜与水银的电阻率随温度变化的曲线
超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度(Tc)。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”,即寻找高温超导材料。(www.xing528.com)
以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体成像(NMRI)、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;SQUID作为超导体弱电应用的典范,已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用,其灵敏度是其他任何非超导装置无法达到的。但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦(温度为4.2K)系统中使用,因而严重地限制了低温超导应用的发展。
高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用温度从液氦(温度为4.2K)提高到液氮(温度为77K)温区。同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应用带来了极大的方便。另外,高温超导体都具有相当高的磁性能,能够用来产生20T以上的强磁场。
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。搭载利用超导材料制成的线圈磁体的超导发电机,磁场强度达到5~6万Gs,而且几乎没有能量损失。与常规发电机相比,超导发电机的单机容量提高5~10倍,发电效率提高50%。超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计,目前的铜导线或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线上,我国每年的电力损失达1 000多亿度。若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。利用超导材料的抗磁性,将超导材料置于永久磁体(或磁场)的上方,由于超导的抗磁性,磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体(或磁场)和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在上方,利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量,若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件,则不存在散热问题,可使计算机的速度大大提高。
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