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超导体的特性原理及应用
中国科学技术大学电磁学小论文
论文题目:
超导体的特性、原理及应用
作者:
蒋哥
学号:
PB13206***
指导老师:
周**
日期:
2014.6.9
超导体的特性、原理及应用
1、摘要
超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候,物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质;“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。
零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。
自从超导发现至今,超导的研究和超导体的研制已迅速发展,超导体的物质结构及性质已逐渐研究清楚,超导的临界温度已从开始的几开升至二百多开,超导材料得到广泛应用,特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。
2、关键词
超导体零电阻效应迈斯纳效应应用实验验证
三、引言及背景
人类最初发现物体的超导现象是在1911年。
当时荷兰科学家卡·翁纳斯等人发现,某些材料在极低的温度下,其电阻完全消失,呈超导状态。
使超导体电阻为零的温度,叫超导临界温度。
经过近100年的发展,临界温度已大大提高,现有的高温超导体用液态氮来冷却即可应用于实际。
高温超导材料的用途非常广阔,大致可分为三类:
大电流应用(强电应用)、电子学应用(弱电应用)和抗磁性应用。
大电流应用即超导发电、输电和储能;电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等;抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
4、正文
1、超导体的特性及原理
1.1零电阻效应
超导体在一定温度以下,其电阻降为零的现象称为材料的超导电现象。
1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯发现在T=4.1K下汞具有零电阻效应。
采用四引线电阻测量法可测出超导体的R-T特性曲线,如图所示。
图中的Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值,对应的温度称为起始转变温度Ts;当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度Tm;当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。
由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关,定义在外部环境条件(电流,磁场和应力等)维持在足够低的数值时,测得的超导转变温度称为超导临界温度。
下面对这一特性进行理论分析:
欧姆定律的微分形式:
j=σE
(j为正常电流密度,σ为电导率,E为电场强度)
伦敦方程给出:
偏js/偏t=aE和▽×js=bB
(a=ns*e^2/m,b=-ns*e^2/m,ns为超导电子密度,e,m为电子的电荷与质量,js是超导电流密度)
超导体中总电流密度j为:
j=js+j
(假设j仍服从j=σE)
在直流情形下有:
偏js/偏t=0,由偏js/偏t=aE得E=0,从而应有j=σE=0
定性解释:
在直流情形,全部电流是由超导电子贡献的,因而表现出0电阻。
1.2迈斯纳效应(完全抗磁性效应)
1933年,迈斯纳(W.Meissner)发现:
当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时,原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外(见下图),磁力线不能穿过它的体内。
也就是说超导体处于超导态时,体内的磁场恒等于零,这表明超导体是完全抗磁体,这个现象称为迈斯纳效应。
需要注意的是超导体一旦进入超导状态,体内的磁通量将全部被排出体外,磁感应强度恒为零,且不论对导体是先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要进入超导状态,超导体就把全部磁通量排出体外。
下面对这一特性进行理论分析:
产生迈斯纳效应的原因是:
当超导体处于超导态时,在磁场作用下,表面感生一个无损耗的(零电阻效应——无损耗)抗磁超导电流。
这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反,因而在深入超导区域总合成磁场为零。
换句话说,这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用,因此称它为抗磁性屏蔽电流。
早期曾有人认为超导体是一种导电率
等于无穷大的导体,即用纯电学的观点去看超导体。
实际上,这种观点认为超导体与普通导体没有本质区别,其不同之处仅仅在于电导率的大小存在着差异而已,实验证明这种想法是不正确的。
欧姆定律的微分形式
(其中,j是电流密度矢量,E是电场强度,
是电导率)
此外,由电磁学的麦克斯韦方程
可知,若将超导看成是
的导体,超导体中的磁场B应满足方程
上式表明,超导体内的磁场B与时间t无关,或B不随时间改变,而完全由初始条件决定。
即超导体内,如果t=0时,有磁场B,则以后磁场B的大小和方向皆不改变;如果t=0时,超导体内无磁场,则以后恒无磁场。
根据以上的结论,我们可以设计两个实验如下图(实验1先冷却再外加磁场,实验2先外加磁场再冷却),如果认为超导体是
的普通导体,则应出现图(a)的结果,即超导体内有无磁场,完全取决于初始条件,先冷却,后加磁场则超导体内无磁场;先加磁场,后冷却则超导体内有磁场。
但实验结果表明图(a)的情况并未出现。
相反,实验结果是图(b)所示的情况。
无论是先冷却,后加磁场;还是先加磁场,后冷却,超导体内部最终均无磁场。
(a)(b)
即超导体总是完全排斥磁场的,这是它不同于普通导体的特性。
1.3约瑟夫森效应
当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时,超导电子能
通过极薄的绝缘层,这种现象称为约瑟夫森效应,相应的装
置称为约瑟夫森器件,如图所示。
当通以低于临界电流值I0时,在绝缘薄层上的电压为零,但当电流I>I0时,会从超导态转变为正常态,出现电压降,呈现有阻态,这种器件具有显著的非线性电阻特性,可制成高灵敏度的磁敏感器件,应用在超高速计算机等场合。
2、超导特性的应用
2.1零电阻效应的应用
2.1.1超导电缆
目前大功率高压输电能量损失高达10%以上,根据超导体的零电阻效应,可以利用超导电缆实现完全没有热损耗的输电过程。
并且超导导线的输运电流密度可达103A·mm-2,为普通导线的500~1000倍,所以超导电缆具有体积小、重量轻、能耗低和传输容量大等优点。
采用超导电缆的电网电压等级可以大大降低,省去了初终端设备,特别适合大容量长距离输电。
2.1.2超导滤波器
超导滤波器是超导材料的先进应用之一,国际上很多公司都在开展这方面的研究。
由于超导体表面电阻为零,用它制出的滤波器达到的特性是常规滤波器所无法比拟的。
基站中安装超导滤波器后,可以显著的提高基站的接收灵度,扩大基站的覆盖范围,提高通话质量,降低对人体健康的影响。
2.1.3超导磁储能系统
利用超导材料制成线圈,经供电励磁产生磁场而储存能量,在需要时再将能量送回电网或作其他用途,这就是超导磁储能系统。
由于储能线圈是由超导体绕成并维持在超导态,所储存的能量几乎可以无损耗地储存下去,因此,其能量转换效率很高,可达95%,以及很快的反应速度,可达几毫秒。
该系统不仅可以用作高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统,还可用于调节电力系统的峰谷、降低电网的低频功率以及无功和功率因素的调节,达到改善电网电压和频率特征,改善系统稳定性的目的。
2.1.4超导发电机
常规发电机采用铜或铝作为导体,重量大,焦耳热高,且发生瞬时过载时会发出很大的噪声。
利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万~6万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。
超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5~10倍,达1万兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3,发电效率提高50%。
2.2迈斯纳效应的应用
2.2.1超导磁悬浮列车
磁悬浮车是超导技术在交通运输中的重要应用成果,它具有安全、舒适、高速的优点,其它交通工具是无法与之相比的。
下图是磁悬浮车的原理模型图,车身底部截面呈凹形,装有超导电磁体,导轨是铝质的,截面呈凸形。
列车前进时,车身底部的超导电磁体产生的磁场在铝制导轨内引起感应电流,感应电流的磁场排斥车身的电磁铁磁场,使车身悬浮在导轨上,从而使列车在行进过程中受到的摩擦阻力大大减小。
2.2.2超导磁悬浮轴承
利用迈斯纳效应,超导转轴会产生与原磁场方向相反的磁场,磁场的作用力使转轴悬浮而无摩擦,无摩擦的超导轴承是机械中最理想的构件,它的应用会使许多机械面目为之一新。
磁场
磁场
超导轴承
3、设计实验验证超导体的零电阻效应和迈斯纳效应
3.1验证零电阻效应
1.取一超导圆环置于温度低于其临界温度Tc的环境中;
2.利用电磁感应使环内激发起感应电流;
3.检测环内电流的持续时间,若环内电流能持续下去;
再升高温度至高于Tc,若电流立刻消失,则说明零电
阻效应存在。
3.2验证迈斯纳效应
1.在一个浅平的超导体盘中,放入一个体积很小磁性很强
的永久磁铁,然后把温度降低至低于其临界温度Tc,
使其出现超导性。
2.若观察到小磁铁离开盘面并上升,上升到一定高度后,
小磁铁悬空保持不动,则说明迈斯纳效应存在。
五、结语
超导体有两个基本特性。
其一是零电阻效应,即在超导临界转变温度之下,超导体的电阻降为零。
超导体的另一个基本特性是完全抗磁性,即超导体在处于超导状态时,可以完全排除磁力线的进入,这个现象被称为迈斯纳效应。
由于超导态的新奇特性,使超导体有着广泛的应用领域和较高的实用价值。
超导技术必将成为21世纪最热门的高新技术之一。
6、参考文献
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[5]岳小萍.理想导体与超导抗磁性[M]新乡学院学
报:
自然科学版第28卷第4期.
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