超导磁体及其在交通中的应用探讨概要.docx

超导磁体及其在交通中的应用探讨概要.docx

《超导磁体及其在交通中的应用探讨概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超导磁体及其在交通中的应用探讨概要.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

超导磁体及其在交通中的应用探讨概要

滨州学院

毕业设计（论文）

题目超导磁体及其在交通中的应用

系别物理与电子科学系年级2003级

专业物理教育班级2班

学生姓名赵金海学号050222

指导教师贾天俊职称副教授

2006年5月30日

超导磁体及其在交通中的应用

摘要：

超导现象是自然界中普遍存在的现象。

在科学家们的努力下，20世纪初，发现了超导现象，经过几乎近一个世纪的探索，超导在各个领域都有了突破性的发展。

超导技术应用范围极广，在交通运输上、能源方面、信息技术、生物医学上、在地质矿产业、高能物理研究等等。

其中超导应用最广的还是在交通中。

本文从超导体的发展历程、理论基础、超导技术的应用、发展战略、结论这五个方面，来阐述超导磁体及其在交通中的应用。

目的是使人们对超导及其磁悬浮列车有一个科学性的认识。

关键字：

超导磁体；金属超导；磁悬浮列车；零电阻；稳态

Superconductivitymagnetanditsintransportationapplication

Abstract:

Thesuperconductivityphenomenonisinanature,universalexistencephenomenon.Afterscientistsworkhard,atthebeginningof20thcentury,discoveringdiligentlythesuperconductivityphenomenon,passingthroughanearlycenturyexploration,thesuperconductivityallhadtheunprecedenteddevelopmentineachdomain.Thesuperconductivitytechnologyapplicationscopeisextremelybroad,intransportation,energyaspect,informationtechnology,biomedicine,ingeologicalmineralsindustry,highenergyphysicsresearchandsoon.Superconductivityappliesbroadlyinthetransportation.Thisarticlefromthesuperconductordevelopmentcourse,therationale,thesuperconductivitytechnologyapplication,thedevelopmentalstrategy,theconclusionthesefiveaspects,elaboratesthesuperconductivitymagnetanditsinthetransportationapplication.Thegoaliscausesthepeoplesuperconductivityanditsthemagnetismaerosoltrainhasascientificunderstanding.

KeyWords:

Superconductivitymagnet;Metalsuperconductivity;Magnetismaerosoltrain;Zeroresistance;Stablestate

超导的发现是二十世纪最重要的发现之一，超导在现在的人们的生活中已成为不可缺少的一部分。

特别是超导磁体应用于交通，使磁悬浮列车成为世界上速度最快的列车，在不久的将来，磁悬浮列车就会发展成为交通运输方面不可替代的工具。

随着越来越多的超导体的发现，以及超导体的临界温度的越来越高，有人预测超导将会引发再一次的工业革命，因此了解并开发此具有前瞻性的技术，乃成为跻身新世纪科技舞台的重要课题之一。

一、发展历程

（一）超导现象及超导体

1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度的降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。

为了证实这一现象，他用磁铁在水银环路中感应出电流，经过长达一年多的观察发现，只要水银环路保持在4.15K的低温，环路中的电流就不会有衰减，电流不断地沿着环路转起来，就像一匹不知疲倦的马一样。

当温度降到某一温度时，金属的电阻变为零的现象叫超导现象，能够发生超导现象的物质，叫做超导体。

超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度Tc）[1]。

（二）物质的临界温度

现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性，如钨的临界温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。

而且超导临界温度的纪录不断地被打破[5]。

例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K。

1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视。

1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物。

1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。

1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物。

1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。

这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅。

（三）六硼化钙的化合物的尝试制作

2001年元月上旬,在仙台举行的国际会议上,Akimitsu公开宣布他的MgB2超导性的发现,他的研究群尝试制作出了六硼化钙的化合物六硼化钙是半导体材料,当它被掺杂了少许的电子后,会变成像铁一样具有铁磁性。

他们试着以镁取代钙,他们一开始选择的材料之一就是简单化合物二硼化镁。

Akimitsu他们从药瓶中拿出来的材料在39K就变成超导体,比任何其它简单金属化合物还高出16K,这该是个多么大的震撼呀[4]。

自1911年发现超导现象起的超导体发展历史上，可看出在近10年来在提升Tc方面有了很迅速的发展。

若能将超导零电阻和强反磁性的特性应用普遍化，有人预测这将会引发另一次的工业革命。

因此了解并开发此具有前瞻性的技术，乃成为挤身新世纪科技舞台的重要课题之一。

二、理论基础

超导体处于临界温度以下时，主要的超导现象为零电阻及抗磁性零电阻是指电流流通时无阻力的现象，即产生永久电流。

抗磁性则是将超导体放入磁场中，会将其内部的磁场完全排除，即使其内部磁通量保持为零，这就是迈斯纳效应。

因此超导具有磁浮现象，必须同时具备以上两种特性，才可称为超导体[8]。

（一）超导体的零电阻特性

1．临界温度Tc

当电流、磁场及其它外部条件保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时,超导体呈现超导态的最高温度。

2．零电阻温度Tc（0）

是指超导体保持直流电阻R=0（或电阻率ρ=0）时的最高温度。

3.转变宽度ΔTc

超导体由正常态向超导态过渡的温度间隔。

实验上常取10%～90%时对应的温度区域宽度为转变宽度。

ΔTc的大小一般反映了材料品质的好坏,均匀单相的样品ΔTc较窄,不均匀的较宽。

（二）超导体的抗磁性

1937年,迈斯纳和奥森菲尔德发现,具有完全导电性的物质还具有另外一个基本特性—抗磁性。

当物质由常导态进入超导态后其内部的磁感应强度总是为零,即不管超导体在常导态时的磁通状态如何,当样品进入超导态后,磁通量一定不能穿透超导体。

这一现象也称为迈斯纳效应,这表明了超导体和理论上的完美导体有所不同。

零电阻和迈斯纳效应是超导电性的两个基本特性。

这两个基本特性既相互独立又相互联系[3]。

（三）超导体分类

超导体可大体分为金属类和铜氧化物类，两者各有所长、各有所短金属类与铜氧化物类的临界温度大不相同。

金属类具延展性，容易加工，有些已经实用化。

铜氧化物类简单地说就是陶器类，延展性差，脆弱，需费功夫才能加工成导线[6]。

目前，已发现近30种元素的单质，8000多种化合物和合金具有超导性能。

具有最高临界温度（Tc）的纯金属是镧，Tc=12.5K；合金型目前主要有银钛合金，Tc=9.5K；化合物型主要有银三锡，Tc=18.3K；钒三镓，Tc=16.5K。

我们大家都知道，当电流通过金属时，金属会发热。

用熔点高的金属丝制成的电热原件，电流通过时，电能将转换为热能，从而获得高温。

Ni-Cr、Ni-Cr-Fe、Ni-Cr-Al等合金以及W、Mo、Pt等金属就是常用的电热元件材料。

人们早已知道，金属的电阻随温度的升高而增大，电阻的增大反过来又促进金属的发热，用金属导线送电时，传输的电流因而受到限制。

超导体的最突出的性质是它们处于超导状态时，材料内部的电阻为零，电流通过时不发热，每平方毫米允许通过的电流可达到数万安培[2]。

因此，超导可以用来输送电流。

1986年以来，高温超导体的研究取得了重大突破。

1987年发现，在氧化物超导材料中有的在240K出现超导迹象。

由镧、锶、铜和氧组成的陶瓷材料在287K的室温下存在超导现象，这为超导材料的应用开辟了广阔的前景。

超导材料可制成大功率发电机、磁流发电机、超导储能器、超导电缆、超导磁悬浮列车等[7]。

三、超导技术的应用——磁悬浮列车

超导体临界温度的提高为超导技术的应用开辟了广阔前景，随着超导理论的进一步完善和发展，超导体新材料的继续研制，超导技术必将对整个社会发展产生巨大的推动作用。

超导技术最主要的应用还是在交通方面，这就是超导磁悬浮列车。

（一）超导磁悬浮列车

超导磁悬浮列车是一种高速、安全、无污染的新型列车。

列车是靠着互斥原理悬浮于轨道上行驶，摩擦阻力很小，时速可高达几百千米以上，且磨损小，维修少，成本低，其能源消耗仅是汽车的一半。

超导磁悬浮列车靠电力作动力运行，在轨道沿线不排放废气，无污染，是一种名副其实的绿色交通工具。

它的工作原理是这样的，原来，在每节车厢下边的车轮旁边都安装有小型超导磁体。

在轨道两旁埋设有一系列闭合的铝环，在超导磁体的线圈中通入电流就会产生很强的磁场。

列车开动后，超导磁体相对于铝环运动，在铝环里感应出很强的电流，并相应形成极强的磁场。

铝环产生的磁场与车上超导磁体的磁场方向相反，相互排斥，使车上的超导磁体受到地面铝环向上的托力，把列车凌空托起，飞似地向前驶去。

磁悬浮列车采用磁悬浮、直线驱动技术，与常规轮轨系列车相比磁悬浮列车具有高速、安全、平稳、无震动、不污染环境、节省能源等诸多性能，将展现出无比的优越性，发展前景广阔。

人们一致认为磁悬浮列车是完全新型的未来理想的陆上交通工具，应尽快开展国际上正处于实用化阶段的500km/h磁浮高速列车技术的研究，大家深刻地意识到中国交通运输产业正面临选择，也出现机遇。

发展磁悬浮列车需要多种学科的高新技术交叉配合，是一个系统工程，在与超导磁悬浮列车相关的技术中，超导技术及低温制冷技术尤为引人注目。

经过近三十年的持续努力，我国的超导磁体技术已达到最大储能10MJ，最高磁场14T的水平，并已积累了一定的实际应用与运行经验。

就超导磁悬浮列车所需要的高电流密度、轻型超导磁体而言，因为我们已研制成功的磁体也达到净焦耳储能，单个磁体导线重100余kg的水平，所用的导线国内已有生产经验，从而较有把握在不长时间内研制成所需超导磁体及相应低温系统。

（二）磁悬浮列车的分类

磁悬浮列车有低速和高速之分：

1.低速磁悬浮列车

低速磁悬浮列车的技术在世界上已趋于成熟，且其噪音与污染小，相比地铁造价低。

可能成为城市市郊市