高中物理（人教大纲版）第二册 第十四章 恒定电流 四、超导及其应用(备课资料).docVIP

●备课资料 一、超导 （1） 随着科学技术的发展，人类逐渐逼近零下273.15 ℃——这被称为绝对零度的禁区.在这低温世界里，物质显现出许多奇妙的特性.1911年，荷兰科学家茂林·昂尼斯意外地发现金属汞在零下263.98 ℃时电阻完全消失的现象.于是，物质的一种新的形态——超导态，被人类宣告发现了. 有关专家介绍说：“超导态物质指的是在一定温度下，表现出超导电性的材料，它可以是一种元素，也可以是一种合金或金属氧化物.超导电性的重要特征是零电阻和抗磁性，因为在进入超导态时，电子是配对的，所以不散射，没有电阻，表现出一种宏观的量子状态，抗磁性也可以看成是超导体内部磁感应强度永远等于零.”目前，科研人员已经发现和研制出了多种超导材料，包括在零下269 ℃时进入超导态的低温超导材料和在零下140 ℃至零下190 ℃时进入超导态的高温超导材料.高温超导材料是今后研制的方向，常用的有钇钡铜氧系列的粉体、块材、靶材和薄膜，以及铋锶钙铜氧系列的带材等.这些高温和低温超导材料已经被科研人员应用于经济建设中. 根据超导材料零电阻的特性，科研人员研制成功了铋系高温超导输电电缆，它需要浸泡在零下196 ℃的液氮中来进入超导状态，在大电流输电时只有轻微的电能损耗.也许有一天，这种埋在地下液氮管道中的超导电缆将成为明天的输电明星. 用超导带材绕制的线圈在低温环境下，由于零电阻效应，密度很大的电流可以无损耗地流动，并形成一个很强的磁场，这就是超导磁体.超导磁体产生的磁场强度可高达20 T，是常规磁体的十几倍.超导磁体以其体积小、重量轻、磁场强、能耗低等优点，在许多领域取代了常规磁体. 利用超导磁体制造的超导发电机超导变压时，一旦全部代替常规发电机和变压器，将使电力工业的面貌大为改观. 在单晶炉坩埚区域内，液氮浸泡着的超导磁体产生的3000高斯磁场，可以抑制坩埚内熔液的热对流，降低氧和杂质的含量，控制出大直径的优质单晶硅、磷化铟等材料.用这些材料生产的大规模集成电路和各种晶体管，是生产电子计算机等产品的关键部件. 1991年我国研制成功的医用超导核磁共振成像扫描仪，其核心是包裹在零下269 ℃液氦低温环境中的超导磁体.严密的无泄露多层外壳，使这些液氦每隔半年才需要加注一次.超导磁体能产生6000高斯的稳定均匀磁场，因此能获得人体内氢元素的极为清晰的磁共振信号，进而生成人体各部位多层面的图像，成为深受人们欢迎的临床检查医疗设备. 不仅如此，科研人员利用不同物质在磁场中运动轨迹不同的性质，制造了超导磁分离选矿设备；利用导电的高热气体通过超导磁体的强磁场来进行磁流体发电；利用超导磁体的强磁场，在受控热核装置中，束缚上亿度高温下的等离子体，来进行核聚变，以产生人类梦寐以求的能源… 超导态物质已经进入了人们的生活，它们将在各个领域为人类做出贡献. （2） 国家超导专家委员会林良真研究员介绍说：“超导态物质具有很奇特的性质，如零电阻、完全排磁性等.完全排磁性指的是由于磁力线不能进入超导态物质的内部，因而在磁场中就产生相应排斥的抗磁现象.如果把一块磁铁放在超导态物质上面，它就会悬浮在空中.”这就是磁悬浮列车的工作原理.人们都知道，火车车轮与铁轨间的摩擦力和阻力限制了火车的速度；磁悬浮列车正好清除了这个弊端.科研人员在列车底部及两侧倒转向上的部位安装了电磁铁，控制电磁铁的电流，可以使电磁铁和导轨保持10~15 mm的间隙，从而使列车悬浮在铁轨上面运行，这就是常导电磁吸引式磁悬浮列车.常导磁悬浮列车适合于近距离和在城市内使用，时速一般在100 km左右.我国在四川青城山地区开始修建第一条常规磁悬浮铁路. 另外一种高速磁悬浮列车，是依据超导物质完全排磁性理论制造的超导电磁相斥式磁悬浮列车.这种车的内部装有浸泡在零下269 ℃液氦中的超导磁体，它与凹槽铁路侧壁上的磁悬浮线圈相互作用，使车体在轨道上浮起100 mm.列车依靠超导直线电机作为前进的动力.它是依靠从铁路供电系统获得电能的一系列电机电枢绕组，与车体内部的超导磁体相互作用，产生推力，使列车的最高时速达到500~550 km.目前，国外已经建成14 km试验用超导铁路，我国的科研人员也开展了超导电磁相斥式高速磁悬浮列车的研究和试验，并取得了可喜的科研成果. 不仅如此，科研人员还在研究超导理论在汽车、飞机、船舶等交通工具上的应用形式，超导电磁推进船就是成功的实例.超导电磁推进船是依据超导电磁推进理论而研制的.根据电磁学理论中的左手定则，当一个磁场磁力线的方向和一个电场的电流方向相互垂直时，就产生一个向后的电磁力，这就是电磁推进理论.科研人员在船身中设计了一个从船头贯穿到船尾的纵向管道，在管道周围安装有浸泡在零下269 ℃液氦中的超导磁体，它能产生强大的磁场，在管道内安装有能通过强大电流的电极，在两者作用下产生的电磁力，把从船头