高温超导体，正在改变你的世界
Tom的科技世界2019-04-21 10:58
这里我们分别介绍高温超导体在诸多领域的实际应用，其中不乏与我们生活息息相关的实例。
信息系统应用包括信息的获取、传输、存储和处理等过程，超导体在微弱信息的获取方面具有独特的优势，。这要追溯到20世纪60年代的一次重大发现，1062年，约瑟夫逊（B.D. Josephson）在分析两块超导体之间夹一极薄的绝缘层的夹心结构时发现，当直流电压加于此结构的超导体两端时，将有高频电流通过此结构，因而必然有同一频率的电磁波发射。后来称这一现象为约瑟夫逊效应。当时，约瑟夫逊是英国物理学家皮帕德( A.B. Pippard）的研究生，皮帕德曾经提出著名的超导唯象理论“非局域超导理论”。
约瑟夫逊于1961zhi至1962年，在听了任剑桥大学客座教授的美国科学家安德逊（P.W. Anderson）的课后，受到很大启发。他在前人工作的基础上，对“超导体-势垒一超导体”结构进行计算，其结果出人意料，连他的导师一时也未能弄清楚。最后他以《超导隧道中可能的新效应》为题，在欧洲《物理通讯》上发表论文。他在论文中预言：“超导体—势垒—超导体”结构在有限的直流电压下，除出现直流超导电流外，还将出现交流超导电流。
“超导体势垒超导体”结构在零电压下，将出现直流超导电流。
探测微弱信号
约瑟夫逊在作出如此重要的预言时，还是一个22岁的年轻人，以后的实验证明，他的预言是正确的，并有着重要的应用前景。1973年，他因此项卓越成就被授予诺贝尔物理学奖，当时他年仅33岁利用约瑟夫逊效应制作超导磁场计已经获得成功。这种仪器可以探测很微弱的磁场，因而可侦察遥远的敌方目标，如潜艇，坦克等活动目标，而用约瑟夫逊效应制作的超导体开关对某些畅射非常敏感，可探测微弱的红外辐射，为军事指挥作出正确判断提供直接的依据，为探测天外飞行器，如人造卫星或宇宙不明飞行物提供高灵敏度的信息系统。目前高温超导体制作晶体管的实验也在紧张地进行之中，它的研制成功，必将为高灵敏度信息系统提供新的支持。
超导计算机
实验结果已经表明，有若于高温超导体材料（如铝系、银系等）可以利用溅射技术或蒸发技术在极源的绝缘体上形成薄膜，并制成约瑟夫逊器件。这种器件具有高速开关特性，是制作超高速电子计算机不可多得的元件，它的运用将使电子计算机的体积大大缩小，功耗大大降低，计算速度大大提高，把超导数据处理器与外存储芯片组装成约瑟夫逊式电子计算机，可以很得高处理能力，在1s内可进行千亿次的高速运算，这将大大超过现有大型电子计算机的运算速度。
火箭无声发射
自1986年发现金属氧化物超导体以来，高温超导体的研究取得了巨大进展，这使各国国防部门确信一场新的国防技术变革必将出现，为了适应新的形势，各国正迅速采取行动，积极开展超导体在军用系统的应用研究。用于核潜艇的超轻型推进系统就是一个突出的例子，这种推进系统能使核潜艇的速度和武器装载量增加1倍，而潜艇的自身重力减轻一半，一举两得。火箭发射的初期必须在发射架上滑行，由于机械接触速度越快，振动越剧烈，容易损坏发射架因此必须限制速度。若把超导无声推进系统用于导弹弹头，可使弹头以20000km／h的速度摧毁敌方处于发射升空的弹道导弹，使敌方导弹在其本土爆炸。
航天飞机自动升空
美国航天部门一直十分关心如何提高航天飞机发射的成功率和降低成本的途径，现已提出将垂直发射架改成水平发射架的方案。利用超导链悬浮技术，当飞机通电线圈沿轨道发射台做切割磁感线的直线运动时，就会产生强大的电磁力，使航天飞机升空，这里的关键间题是需要大电流和强磁场，才能使航天飞机起飞。显然，只有依靠超导直流电动机和超导强磁场来解决这两个关键问题。将航天飞机置于水平台车上，台车沿悬浮列车轨道做直线运动，台车以3.234m／s的加速度加速。当速度上升到300km／s时，航天飞机引擎点火，开始工作。当航天飞机以9.8m／s的加速度加速到500km／s时，飞机靠电磁力脱离水平台车，自动升空，信计台车滑行距离为4km，这里还有一个安全问题，如果航天飞机在点火后几秒钟内发生故障，引擎停止工作，飞机仍停在水平台车上，这就使得航天飞机发射期间的安全问题得到了解决。
列车凌空飞驰
超导磁悬浮技术的应用领域十分宽广，20多年前人们就设想利用超导体技术制造悬浮列车，实现铁路运输的高速化。现在，日本，德国俄罗斯，英国法国和中国等国已制造成功陆地上最快的交通工具超导磁悬浮列车，这种列车悬浮在超导“磁垫”路基上，速度高达400至500km／h，约为我国普通特快列车速度的5倍，从北京到上海只要3个多小时，日本JR组合式磁悬浮列车的轨道是v字形的，在它的侧壁上安装着由铝线制成的线圈，在它的底部对应位置上，安装由NT合金制成的超导线圈，超导线圈通过电流为686A，当电流密度为2.7×10000/cm时，便产生强大的磁场，磁感应强度高达5.1T，随着直流电机启动列车，轨道上的铝线圈产生感应电流，形成新的磁场，因为两个磁场的磁感线方向相反，在斥力的作用下，列车便悬浮起来，通过改变铝线圈中电流的大小来控制列车的运行速度，十分方便。
无污电动染汽车
已经投入使用的电动汽车是由蓄电池组和电动机组成的。由于蓄电池的蓄电能力有限，所以此类汽车的一次行程较短。利用高温超导体可以极大地减少蓄电池的功率损失，提高储电容量，增加供电能力。这样，电动汽车将可以风行世界，对减少大气污染和简化汽车结构，无疑将是十分有利的。
超导电车
一种电车非接触式集电系统正在加拿大研究之中。其特点是供电线路用超导电缆，把电缆埋在通路表层下。电车底部安装若干超导线圈。当电车沿着道路行驶时，由于电磁感应使超导线圈产生感应电流，从而推动电车行进。这种系统既无架空线，又无轨道，且电力耗损极小，与传统的电车概念有看很大的不同。预计将极大扩展电车的使用范围，特别是可能在高速公路上得到成功运用。
电磁推进船
利用超导技术设计的电磁推进船，完全改变了现有船舶的进机构，既没有回转部分，又无需使用螺旋推进机构，只需改变超导磁场的磁感应强度或电流强度，就可以变换船舶的航行速度。另外，还具有结构简单、操作方便、噪声小等优点，有希望成为改进船船的重要方向日本已试制成功电磁推进船，其长度为30m，推水量为185t。船速为8nmile／h这一试制成功极大推动了这一领域研究工作的进展。
超导电缆
高温超导材料制成的输电电缆，电阻几平为零，输电损耗极小超导电缆线已有多种，比较成功的超导电缆线有四筒式和多芯式两种。圆筒式超导电缆由三根管状超导芯线组成，超导芯线安装在具有隔热层的管内。冷却液氮在超导芯线内外同时循环流动，保证超导电缆处于超导状态。多芯式超导电缆的结构与普通电缆类似。直径为100μm以下的超导线均匀分布在电绝缘层中，并套上铜管，铜管直径为2mm在内外冷却液氮作用下。电缆处于超导状态，即为超导电缆。
超导发电机
日本正在研制激磁线圈额定电流容量为70MVA，临界电流密度为150A／mm的超导发电机，超导发电机具有许多优点，由于线圈绕组用超导线材，可以减少电流损失，提高工作效率，扩大电机容量，缩小电机体积。因此，超导发电机已成为技术开发的重要项目。
无损耗变压器
传统变压器由于涡流和磁滞损失限制了其性能，利用交流超导线材制作变压器的线圈绕组，可以大大减小变压器的涡流和磁滞损失，提高变压器的输出功率；就结构来说，可以简化结构，发展小型轻量化变压器。日本已试制成功额定电流为100A的交流超导线材NbTi合金，用这种材料制成500kW的交流超导线圈，其功率损耗只有0.007%。
总之，超导体在电力领域的实用化将为人类提供更多的能源。
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