1、物理效應及其應用物理效應及其應用低溫下的量子效應低溫下的量子效應物理效應及其應用物理效應及其應用5-2第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 熱運動往往掩蓋量子效應，大多數量子效應都要在低溫條熱運動往往掩蓋量子效應，大多數量子效應都要在低溫條件下觀察，所以件下觀察，所以獲取低溫的效應獲取低溫的效應是低溫下量子效應的關鍵。是低溫下量子效應的關鍵。絕熱膨脹制冷效應：在絕熱膨脹過程中，與外界無熱交換，。絕熱膨脹制冷效應：在絕熱膨脹過程中，與外界無熱交換，。 但對外做功，只得靠減小氣體內能來補償。但對外做功，只得靠減小氣體內能來補償。 內能減少，分子無規則運動動能減少，即內能減少，分子無規則運動

2、動能減少，即 溫溫 度下降。度下降。焦焦-湯效應：氣體通過小孔有節制地從高壓向低壓流動的過程湯效應：氣體通過小孔有節制地從高壓向低壓流動的過程 稱為節流過程。在節流過程中氣體溫度隨壓強變稱為節流過程。在節流過程中氣體溫度隨壓強變 化的現象稱為焦耳化的現象稱為焦耳-湯姆孫效應。節流膨脹溫度下湯姆孫效應。節流膨脹溫度下 降，產生制冷效應。降，產生制冷效應。制冷過程都是是系統有序度增加熵減少的過程制冷過程都是是系統有序度增加熵減少的過程熵排出機。熵排出機。物理效應及其應用物理效應及其應用5-3第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應激光冷卻與捕陷原子激光冷卻與捕陷原子 以往低溫多在固體或液體系統

3、中以往低溫多在固體或液體系統中實現，這些系統都包含著有較強實現，這些系統都包含著有較強的相互作用的大量粒子。的相互作用的大量粒子。20世紀世紀80年代，借助于激光技術獲得了年代，借助于激光技術獲得了中性氣體分子的極低溫（例如，中性氣體分子的極低溫（例如，1010K）狀態，這種獲得低溫的）狀態，這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。方法就叫激光冷卻。 絕熱去磁制冷效應：借助磁場使某些順磁鹽中的電子自旋磁絕熱去磁制冷效應：借助磁場使某些順磁鹽中的電子自旋磁 矩排列有序，等溫磁化減少熵，再進行矩排列有序，等溫磁化減少熵，再進行 絕熱去磁，使順磁鹽的溫度降低。絕熱去磁，使順磁鹽的溫度降低。物理效應及其應用物

4、理效應及其應用5-4第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應導體：容易導電的物體。室溫下金屬導體的電阻率10-8m 10-6 m.絕緣體：不容易導電的物體。室溫下絕緣的電阻率108m 1018 m.這種低溫下的零電阻現象稱為超導現象。這種低溫下的零電阻現象稱為超導現象。一、超導現象一、超導現象(Superconductivity)具有超導電性的物質叫超導體。具有超導電性的物質叫超導體。1911年，荷蘭萊頓大學的卡茂林年，荷蘭萊頓大學的卡茂林-昂尼斯意外地發現，將汞冷卻昂尼斯意外地發現，將汞冷卻到到-268.98C時，汞的電阻突然消失；后來他又發現許多金屬和合時，汞的電阻突然消失；后來他又發

5、現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡茂林導電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導態。卡茂林由于他的這一發現昂尼斯稱之為超導態。卡茂林由于他的這一發現獲得了獲得了1913年諾貝爾獎。年諾貝爾獎。這一發現引起了世界范圍內的震動。在他之后，人們開始把處這一發現引起了世界范圍內的震動。在他之后，人們開始把處于超導狀態的導體稱之為于超導狀態的導體稱之為“超導體超導體”。超導體的直流電阻率在一定的。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經低溫下突然消失，被稱作零電

6、阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中流大的電超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中流大的電流，從而產生超強磁場。流，從而產生超強磁場。物理效應及其應用物理效應及其應用5-5第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應臨界溫度臨界溫度TC:超導體電阻突然變為零的溫度。超導體電阻突然變為零的溫度。TTC , 為普通金屬態迄今已知，超導體的電阻率遠小于10-25cm。而00C普通導體的電阻率為1.610-6 cm。臨界磁場臨界磁場HC(T)磁場超過HC(T)時，即使時，即使TTC，普通金屬態普通金屬態超導態超導態HC(T)超導態普通金屬態TT

7、CHC(0)0 相平相平衡曲衡曲線線汞電阻隨溫度變化物理效應及其應用物理效應及其應用5-6第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 所謂所謂“電阻消失電阻消失”，只是說電阻小于儀表的最小可測電阻。，只是說電阻小于儀表的最小可測電阻。 正常導體組成的回路有電阻正常導體組成的回路有電阻 電能的損耗電能的損耗(熱熱).如果回路沒有電阻如果回路沒有電阻 沒有電能的損耗。沒有電能的損耗。電流可以持續地存在下去電流可以持續地存在下去零電阻效應是超導態的兩個基本性質之一。零電阻效應是超導態的兩個基本性質之一。 物理效應及其應用物理效應及其應用5-7第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 具有超導電

8、性的物質叫超導體，超導體電阻突然變為零的溫度叫超導臨界溫度。至今已發現有28種元素、幾千種合金和化合物是超導體。超導體進入超導狀態時，不僅其內的電阻為零，而體內的磁場也為零，表現出完全的抗磁性。長期以來，人們發現的超導體只能在低溫液氦區（4K左右）工作，這就需要許多低溫設備和技術，費用很高且不方便，因而限制了超導體的應用。60年代開始，人們一直在探索把超導臨界溫度提高到液氮溫區（77K）以上的辦法，這就是高溫超導研究。1986年高溫超導研究取得了突破性的發展，科學家相繼發現了許多高溫超導物質。現在高溫超導體的臨界溫度已達到130K左右，使超導體已走出了液氦的陰影，為人類挖掘超導電性所隱藏的寶藏

9、開辟了廣闊的前景。物理效應及其應用物理效應及其應用5-8第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應1986年4月發現鋇一鑭氧化物制成的陶瓷材料具有35K的轉變溫度， 1986年12月23日日本宣布研制出375K的超導材料； 1986年12月25號美國貝爾實驗室獲得40K的超導材料； 1986年12月26號中國科學院獲得486K的超導材料； 1987年2月16號休斯頓大學美籍華人朱經武獲得98K的超導材料； 1987年2月14號中國物理學家趙忠賢獲得110K的超導材料； 1987年3月9號，日本宣布獲得175K的超導材料； 1987年3月，中國科技大學獲得215K的超導材料. 1933年，荷蘭

10、的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質，當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感極為重要的性質，當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感興強度為零，卻把原來存在于體內的磁場排擠出去。對單晶錫球興強度為零，卻把原來存在于體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為現象稱之為“邁斯納效應邁斯納效應”。 物理效應

11、及其應用物理效應及其應用5-9第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應邁斯納效應邁斯納效應完全抗磁性完全抗磁性 A 正常態金屬球B超導態金屬球D升高溫度至超導態金屬球沿不同路徑在正常態與超導態之間轉換金屬球沿不同路徑在正常態與超導態之間轉換C增大磁場至超導態D超導態金屬球B增大磁場至正常態C降低溫度至超導態A 正常態金屬球物理效應及其應用物理效應及其應用5-10第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 實驗表明，不管是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，使金屬由正常態轉變為超導態時，磁場力線將全部排擠出超導體外，超導體內恒有磁感應強度B=0。這種現象稱為邁斯納效應。完全抗磁性的反映超導

12、懸浮？超導體內部磁場變為零時，由于電流沿超導體表面流過，這表面電流產生的磁場與外磁場抵償的結果。物理效應及其應用物理效應及其應用5-11第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應1913年翁內斯發現，當在超導線中的電流 超過某一臨界值時，超導線轉變為正常態， 1914年他又用實驗表明，超導態也可以被外加磁場破壞，相應的電流稱為臨界電流Ic， 相應的磁場稱為臨界磁場Hc。左圖為Nb3Sn的磁場，電流與溫度的關系。 在無外加磁場情況下，臨界電流在超導體表面所產生在無外加磁場情況下，臨界電流在超導體表面所產生的磁場恰好等于臨界磁場。的磁場恰好等于臨界磁場。臨界電流臨界電流物理效應及其應用物理效應及

13、其應用5-12第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 BCS理論理論是用量子力學來描述超導體系統狀態的理論。1957年，美國依利諾伊大學的物理學家巴丁、庫柏和施里弗提出了這一理論，后來以三位科學家姓名第一個大寫字母命名，稱之為 BCS理論。這一理論的核心是計算出導體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態，即存在“電子對”（稱為庫柏對 /rsavage/cooperpairs.htmlCoopers pairs)，該理論較好地解釋了超導現象。正常態的電子是互相排斥的，超導態時，電子相互作用，使電子兩兩相互吸引，形成電子對，稱之庫柏對。含有庫柏對電子的金屬具有較低的能態

14、。量子力學可以說明電子對的總動量在與金屬正離子碰撞時不損失，在低能態下，庫柏對電子就像無阻力的流體一樣易于流動。因此巴丁、庫珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎。特征參數：臨界溫度臨界溫度TC，臨界磁場臨界磁場HC(T)，臨界電流密度，臨界電流密度jc 。超導電性：超導電性：=0，B=0.物理效應及其應用物理效應及其應用5-13第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應“庫柏對庫柏對”的產生的產生 因為金屬中的電子并不完全自由，他們通過點陣相互發生相互作用，即當一個自由電子吸引鄰近的點陣離子時，鄰近的點陣離子會向自由電子靠攏，是晶格發生畸變，局部正電荷密度變大局部正電荷性，吸引別的電子，僅效

15、果是一個自由電子和另一個自由電子互相吸引。低溫時兩個自由電子束縛成一個集團電子對（庫柏對）。 在室溫下，金屬中不可能有大量自由電子組成穩定的電子對，因為晶格離子的無規則熱運動會破壞瞬間存在的分子軌道，使自由電子不可能組成穩定的電子對。 自由電子組成的電子對通過晶格運動時不受阻力，是因為當電子對中的一個電子受到晶格的散射（或偏析）而改變其動量時，另一個電子也同時要受到影響而發生相反的動量改變。其結果是自由電子組成的電子對定向運動的總動量不變。所以晶格既不能減慢也不能加快自由電子組成的電子對的定向運動，在宏觀上表現為超導體對電流的電阻為零。物理效應及其應用物理效應及其應用5-14第五講低溫下的量子

16、效應第五講低溫下的量子效應 1962年年約瑟夫森正在英國劍橋大學當研究生。他從理論上作約瑟夫森正在英國劍橋大學當研究生。他從理論上作出預言，對于超導體出預言，對于超導體-絕緣層絕緣層-超導體互相接觸的結構（也叫超導體互相接觸的結構（也叫S-IS結構），只要絕緣層足夠薄，超導體內的電子對就有可能穿透結構），只要絕緣層足夠薄，超導體內的電子對就有可能穿透緣層勢壘，導致如下效應：緣層勢壘，導致如下效應：（1）在恒定電壓下，既有直流超導電流產生，也有交流超流，其）在恒定電壓下，既有直流超導電流產生，也有交流超流，其頻率為頻率為2eV/h；（2）在零電壓下，有直流超流產生，這一）在零電壓下，有直流超流產

17、生，這一電流對磁場非常敏感，磁場加大，電流將迅電流對磁場非常敏感，磁場加大，電流將迅速減小；速減小；（3）如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，）如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，其頻率為其頻率為v，則會出現一零斜率的電阻區，則會出現一零斜率的電阻區，在這個區域內電流有傅里葉成分，電壓在這個區域內電流有傅里葉成分，電壓V與與v的關系為的關系為2eV/hnv（其中（其中n為整數）。為整數）。物理效應及其應用物理效應及其應用5-15第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 1962年英國劍橋大學研究生約瑟夫遜推測 BCS理論提到的庫柏對也可通過薄絕緣層，即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應），在薄

18、絕緣層隔開的兩種超導材料之間有電流通過；同時還產生一些特殊的現象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產生高頻振蕩。這一超導物理現象稱為“約瑟夫遜效應”。這些預言于1963年在美國的貝爾實驗室被羅威爾等人用試驗證實了，“約瑟夫遜效應”有力的支持了“BCS理論”。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎。超導隧道效應超導隧道效應二、約瑟夫森效應二、約瑟夫森效應物理效應及其應用物理效應及其應用5-16第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應正常電子隧道：當兩塊金屬被一個薄的絕緣體分開時，在它們正常電子隧道：當兩塊金屬被一個薄的絕緣體分開時，在它們之間可以有電流通過，稱此金屬之

19、間可以有電流通過，稱此金屬-絕緣體絕緣體-金屬疊層為隧道結；金屬疊層為隧道結；電流稱為隧道電流。（電流稱為隧道電流。（N-I-N 結）結）金屬金屬超導體VI超導隧道：當一塊金屬變成一個超導體時結電阻猛烈地增加。超導隧道：當一塊金屬變成一個超導體時結電阻猛烈地增加。 （N-I-S 結）。單電子隧道結）。單電子隧道超導隧道：相同超導體之間的隧道超導隧道：相同超導體之間的隧道雙電子隧道（雙電子隧道（S-I-S 結）。結）。三、超導技術的應用三、超導技術的應用 超導技術的應用十分廣泛，涉及輸電、電機、交通運輸、超導技術的應用十分廣泛，涉及輸電、電機、交通運輸、微電子和電子計算機、生物工程、醫療、軍事等

20、領域，這種微電子和電子計算機、生物工程、醫療、軍事等領域，這種新技術軍民兼用，可研制出新技術軍民兼用，可研制出“雙重雙重”產品，將獲得極大的社會產品，將獲得極大的社會效益和軍事效益效益和軍事效益. 絕緣體物理效應及其應用物理效應及其應用5-17第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應在電力工程方面的應用在電力工程方面的應用 超導輸電在原則上可以做到沒有焦耳熱的損耗，因而可節省大超導輸電在原則上可以做到沒有焦耳熱的損耗，因而可節省大量能源；用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用，超導線圈量能源；用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用，超導線圈用于發電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而

21、用于發電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導致電工領域的重大變革導致電工領域的重大變革. 超導技術在交通運輸方面的應用超導技術在交通運輸方面的應用 動用超導體產生的強磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受動用超導體產生的強磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受地面阻力的影響，可高速運行，車速達地面阻力的影響，可高速運行，車速達500km/h以上，若讓超以上，若讓超導磁懸浮列車在真空中運行，車速可達導磁懸浮列車在真空中運行，車速可達1600km/h，利用超導體，利用超導體制成無摩擦軸承，用于發射火箭，可將發射速度提高制成無摩擦軸承，用于發射火箭，可將發射速度提高3倍以上倍以上. 超導技術在電

22、子工程方面的應用超導技術在電子工程方面的應用 用超導技術制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應快、用超導技術制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應快、損耗小等特點，如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各損耗小等特點，如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預報種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預報. 物理效應及其應用物理效應及其應用5-18第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應超導技術在生物醫療方面的應用超導技術在生物醫療方面的應用 超導磁體在醫學上的重要應用是核磁共振成像技術，可分辨早期腫瘤癌細胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等. 超導技

23、術在軍事上的應用超導技術在軍事上的應用 超導儲能裝置在定向武器上的應用使定向武器發生飛躍的發展.超導發電機，推進器在飛機上的應用可大大提高飛機的生存能力，在航海中的應用，可大大減小甚至沒有噪音，推進速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰能力，超導計算機應用于C3I指揮系統，可使作戰指揮能力迅速改善提高等等. 隨著超導技術的不斷發展，高溫氧化物超導材料和有機物超導材料將不斷問世，目前超導還只應用在科學實驗和高技術中，例如中國科學院合肥等離子體物理研究所，采用超導技術建成托卡馬克實驗裝置(磁約束裝置)，放電300ms，電流I=150kA，使我國核聚變研究能力向前跨進一大步. 物理效應及其應用物理效應及

24、其應用5-19第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應國家科委國家科委(91)國科發高字126號關于印發關于印發超導技術戰略目標匯報會紀要超導技術戰略目標匯報會紀要的通知的通知 中國科學院院長周光召同志說：中國科學院院長周光召同志說：“超導是物理學、材料科學超導是物理學、材料科學中最熱門的前沿。在全世界激烈競爭的情況下，中國的科學家中最熱門的前沿。在全世界激烈競爭的情況下，中國的科學家和研究生們，奮力拼搏，在各方面做出了很好的成績，表示了和研究生們，奮力拼搏，在各方面做出了很好的成績，表示了中國科技界這部分力量是非常寶貴的，是值得我們國家引為驕中國科技界這部分力量是非常寶貴的，是值得我們國

25、家引為驕傲的一支科技力量。傲的一支科技力量。”物理效應及其應用物理效應及其應用5-20第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應奇異的超導陶瓷奇異的超導陶瓷1973年，人們發現了超導合金年，人們發現了超導合金鈮鍺合金，其臨界超導溫度鈮鍺合金，其臨界超導溫度為為23.2K，該記錄保持了，該記錄保持了13年。年。1986年，設在瑞士蘇黎士的美國年，設在瑞士蘇黎士的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有35K的的高溫超導性，打破了傳統高溫超導性，打破了傳統“氧化物陶瓷是絕緣體氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界的觀念，引起世界科學界的

26、轟動。此后，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天，科學界的轟動。此后，科學家們爭分奪秒地攻關，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現。就有新的研究成果出現。1986年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導材料，其臨界超年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導材料，其臨界超導溫度達到導溫度達到40K，液氫的，液氫的“溫度壁壘溫度壁壘”（40K）被跨越。）被跨越。1987年年2月，月，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的禁區（以上，液氮的禁區（77K）也奇）也奇跡般地被

27、突破了。跡般地被突破了。1987年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到超導溫度的記錄提高到125K。從。從19861987年的短短一年多的時間年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度竟然提高了里，臨界超導溫度竟然提高了100K以上，這在材料發展史，乃至科以上，這在材料發展史，乃至科技發展史上都堪稱是一大奇跡！技發展史上都堪稱是一大奇跡！物理效應及其應用物理效應及其應用5-21第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 國外超導材料的截面很像普通銅線線圈。可是，若用顯微鏡國外超導材料的截面很像普通銅線線圈。可是，若用顯微鏡將其放大，便可觀察到，在一根銅線之

28、中填滿了無數條極細的鈮將其放大，便可觀察到，在一根銅線之中填滿了無數條極細的鈮鈦合金超導絲。鈦合金超導絲。將這種銅線一層一層纏繞起來，在真空中灌進足夠的環氧樹將這種銅線一層一層纏繞起來，在真空中灌進足夠的環氧樹脂，使之牢固地固定住，便制得超導線圈。日本富士、三菱的脂，使之牢固地固定住，便制得超導線圈。日本富士、三菱的6MVA超導發電機中所使用的，就是在超導發電機中所使用的，就是在3mm的方形銅線中填入數百的方形銅線中填入數百根比頭發還細、直徑僅為根比頭發還細、直徑僅為40微米的鈮鈦超導合金細絲。采用這樣微米的鈮鈦超導合金細絲。采用這樣的結構能通過大電流而毫無損耗。的結構能通過大電流而毫無損耗。

29、鈮鈦合金在負鈮鈦合金在負264以下的超低溫液氦中電阻為零。而堪稱以下的超低溫液氦中電阻為零。而堪稱新一代材料的鈮新一代材料的鈮8錫并非合金而是鈮和錫的化合物，這種材料具錫并非合金而是鈮和錫的化合物，這種材料具有超導特性的溫度，約比鈮鈦合金高有超導特性的溫度，約比鈮鈦合金高10左右，并且易于設計。左右，并且易于設計。但是鈮三錫性脆，不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細絲。因此，國外但是鈮三錫性脆，不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細絲。因此，國外用銅合金（銅與錫的合金）包覆純鈮絲材，外面再用純銅包覆制用銅合金（銅與錫的合金）包覆純鈮絲材，外面再用純銅包覆制成細絲。把這種細絲置于加熱爐中加熱，使錫滲入鈮中，形成鈮成細

30、絲。把這種細絲置于加熱爐中加熱，使錫滲入鈮中，形成鈮3錫。錫。物理效應及其應用物理效應及其應用5-22第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應超群的超導磁體超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能。由于超導材料在超導狀態下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩態強磁場。而用常規導體做磁體，要產生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導磁體可用于制作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。超導發電機在電力領域，利用超導線圈磁體可以將發電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯，并且幾乎沒有能量損失，這種發電機便是交流超導發電機。超

31、導發電機的單機發電容量比常規發電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發電效率提高50。物理效應及其應用物理效應及其應用5-23第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應超導線圈制的轉子浸入液氦中，為與外部隔熱，可仿照保溫瓶超導線圈制的轉子浸入液氦中，為與外部隔熱，可仿照保溫瓶的形式，將其包覆在真空間隙內，由于轉子以每分鐘的形式，將其包覆在真空間隙內，由于轉子以每分鐘3600轉旋轉，轉旋轉，故對支撐它的結構材料提出了特殊的性能要求。即既能經受超低故對支撐它的結構材料提出了特殊的性能要求。即既能經受超低溫，又不被磁化。因為萬一液氦漏泄，整個發電站內部就會立即溫，又

32、不被磁化。因為萬一液氦漏泄，整個發電站內部就會立即凍成冰山。凍成冰山。為此，國外采用了噴氣飛機引擎用的因科內爾鎳鉻鐵耐熱耐為此，國外采用了噴氣飛機引擎用的因科內爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金，或蝕合金，或A286高鎳合金，或鈦合金。高鎳合金，或鈦合金。 發電機是在定子產生的磁場中，使轉子旋轉而產生電流的，發電機是在定子產生的磁場中，使轉子旋轉而產生電流的，也可以利用水力或煤、石油、原子能等產生的蒸汽動力使轉子也可以利用水力或煤、石油、原子能等產生的蒸汽動力使轉子旋轉。發電機轉子雖是一個巨大的線圈，若它產生的強大電流旋轉。發電機轉子雖是一個巨大的線圈，若它產生的強大電流毫無損失，這就是解決制造高效率發電機

33、的方法。正由于超導毫無損失，這就是解決制造高效率發電機的方法。正由于超導是電流損失為零的狀態，所以若把其應用于線圈上，則可以達是電流損失為零的狀態，所以若把其應用于線圈上，則可以達到最大限度的發電效率。到最大限度的發電效率。物理效應及其應用物理效應及其應用5-24第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應超導輸電線路超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節省的電能相當于新建數十個大型發電廠。超導體在電力能源、超導磁體、生物、醫療科

34、技、通信和微電子等領域有廣泛的應用。在電力能源方面，包括輸電電纜、線流器、電動機、發電機、變壓器、超導儲能系統在內的一系列超導產品將給電力的發展帶來深遠的影響，以至于美國能源部的專家認為“超導電力技術是21世紀電力工業唯一的高技術儲備”，日本專家也認為“發展超導電力技術是在21世紀保持尖端優勢的關鍵所在”。前景廣闊的超導兵器前景廣闊的超導兵器快速高效的超導通信快速高效的超導通信高度靈敏的超導探測高度靈敏的超導探測 物理效應及其應用物理效應及其應用5-25第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應超導磁懸浮列車利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導

35、體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應可以制作高速超導磁懸浮列車。利用超導體的抗磁性可以實現磁懸浮。由于超導盤把磁感應線排斥出去， 超導盤跟磁鐵之間有排斥力，結果磁鐵懸浮在超導盤的上方。這種超導懸浮在工程技術中是可以大大利用的， 超導懸浮列車就是一例。讓列車懸浮起來，與軌道脫離接觸，這樣列車在運行時的阻力降低很多，沿軌道“飛行”的速度可達500公里/小時。高溫超導體發現以后，超導態可以在液氮溫區(零下169度以上)出現，超導懸浮的裝置更為簡單， 成本也大為降低。我國的西南交通大學于1994年成功地研制了高溫超導懸浮實驗車。上海科學院磁浮技術首席專家、上師大

36、退休教授魏樂漢上海科學院磁浮技術首席專家、上師大退休教授魏樂漢日本自1962年起就開始了直線電機推動懸浮方式列車的預研制工作。至1999年2月10日，隨著在日本山梨縣境內進行的5節車輛時速500公里荷重270人分編組運行試驗的成功，日本超導磁浮列車的研制已近尾聲物理效應及其應用物理效應及其應用5-26第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應超導核磁共振譜儀物理效應及其應用物理效應及其應用5-27第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 超導計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來制造晶體管，甚至完全用超導體來制作晶體管。物理效應及其應用物理效應及其應用5-28第五講低溫下的量子效應第五講低溫下的量子效應 綠色交通工具綠色交通工具磁懸浮列車磁懸浮列車 磁懸浮列車不使用車輪，是依靠電磁作用力把車輛懸浮在軌道上方，導引與驅動車輛，除了空氣摩擦之外，沒有輪軌接