超导体的特性、原理及应用docx米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台

　　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 一、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，米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台(访问: hash.cyou 领取999USDT）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。 二、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。 四、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 米乐M6(MiLe)亚洲官方网站- 赔率最高在线投注平台，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ssner)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 p p ?B E = ?t 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 p p= E = 0 p p = E = 0 ? t 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 ? t 部 部最终均无磁场。 却 先 却 先 冷 冷 却 后 却 后 冷 冷 (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 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 II0 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, 为普通导线 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 大减小。 2.2.2 超导磁悬浮轴承 利用 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 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