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易格斯電纜-超導材料介紹

文章出處: 作者: 責任編輯: 人氣:-122 發表時間:2016-11-25
  超導材料具有在一定的低溫條件下呈現出電阻等于零以及排斥磁力線的性質的材料。現已發現有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體。
 
  特性  超導材料和常規導電材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零電阻性:超導材料處于超導態時電阻為零,能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感生電流,這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續電流”已多次在實驗中觀察到。②完全抗磁性:超導材料處于超導態時,只要外加磁場不超過一定值,磁力線不能透入,超導材料內的磁場恒為零。③約瑟夫森效應:兩超導材料之間有一薄絕緣層(厚度約1nm)而形成低電阻連接時,會有電子對穿過絕緣層形成電流,而絕緣層兩側沒有電壓,即絕緣層也成了超導體。當電流超過一定值后,絕緣層兩側出現電壓U(也可加一電壓U),同時,直流電流變成高頻交流電,并向外輻射電磁波,其頻率為,其中h為普朗克常數,e為電子電荷。這些特性構成了超導材料在科學技術領域越來越引人注目的各類應用的依據。
 
  基本臨界參量  有以下 3個基本臨界參量。①臨界溫度:外磁場為零時超導材料由正常態轉變為超導態(或相反)的溫度,以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測得超導材料的最低Tc是鎢,為0.012K。到1987年,臨界溫度最高值已提高到100K左右。②臨界磁場:使超導材料的超導態破壞而轉變到正常態所需的磁場強度,以Hc表示。Hc與溫度T 的關系為Hc=H0[1-(T/Tc)2],式中H0為0K時的臨界磁場。③臨界電流和臨界電流密度:通過超導材料的電流達到一定數值時也會使超導態破態而轉變為正常態,以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度,以Jc表示。
 
  超導材料的這些參量限定了應用材料的條件,因而尋找高參量的新型超導材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例,從1911年荷蘭物理學家H.開默林-昂內斯發現超導電性(Hg,Tc=4.2K)起,直到1986年以前,人們發現的最高的 Tc才達到23.2K(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理學家K.A.米勒和聯邦德國物理學家J.G.貝德諾爾茨發現了氧化物陶瓷材料的超導電性,從而將Tc提高到35K。之后僅一年時間,新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導材料的應用開辟了廣闊的前景,米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學獎金。
 
  分類  超導材料按其化學成分可分為元素材料、合金材料、化合物材料和超導陶瓷。①超導元素:在常壓下有28種元素具超導電性,其中鈮(Nb)的Tc最高,為9.26K。電工中實際應用的主要是鈮和鉛(Pb,Tc=7.201K),已用于制造超導交流電力電纜、高Q值諧振腔等。② 合金材料: 超導元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超導材料的全部性能提高。如最先應用的鈮鋯合金(Nb-75Zr),其Tc為10.8K,Hc為8.7特。繼后發展了鈮鈦合金,雖然Tc稍低了些,但Hc高得多,在給定磁場能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti,Tc=9.3K,Hc=11.0特;Nb-60Ti,Tc=9.3K,Hc=12特(4.2K)。目前鈮鈦合金是用于7~8特磁場下的主要超導磁體材料。鈮鈦合金再加入鉭的三元合金,性能進一步提高,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc=9.9K,Hc=12.4特(4.2K);Nb-70Ti-5Ta的性能是,Tc=9.8K,Hc=12.8特。③超導化合物:超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=18.1K,Hc=24.5特。其他重要的超導化合物還有V3Ga,Tc=16.8K,Hc=24特;Nb3Al,Tc=18.8K,Hc=30特。④超導陶瓷:20世紀80年代初,米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導電性,他們的小組對一些材料進行了試驗,于1986年在鑭-鋇-銅-氧化物中發現了Tc=35K的超導電性。1987年,中國、美國、日本等國科學家在鋇-釔-銅氧化物中發現Tc處于液氮溫區有超導電性,使超導陶瓷成為極有發展前景的超導材料。
 
  應用  超導材料具有的優異特性使它從被發現之日起,就向人類展示了誘人的應用前景。但要實際應用超導材料又受到一系列因素的制約,這首先是它的臨界參量,其次還有材料制作的工藝等問題(例如脆性的超導陶瓷如何制成柔細的線材就有一系列工藝問題)。到80年代,超導材料的應用主要有:①利用材料的超導電性可制作磁體,應用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應、儲能等;可制作電力電纜,用于大容量輸電(功率可達10000MVA);可制作通信電纜和天線,其性能優于常規材料。②利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結作計算機的邏輯和存儲元件,其運算速度比高性能集成電路的快10~20倍,功耗只有四分之一。 
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