超导及超导材料的应用_邓麦芹

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科技信息高校理科研究超导及超导材料的应用西安文理学院物理系邓麦芹［摘要］超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。自从超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚，超导的临界温度已从开始的几开升至一百多开，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。［关键词］超导超导材料临界温度超导是超导电性的简称，是指某些物体当温度下降至一定温度时，的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料。自超导2.2迈斯纳效应发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却已从开始的几开升至几十开甚至一百多开；而且超导材料的物质结构过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展超导体之外（见下图），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完获得了成功，且已实现商品化，在医疗、电子输送、运输等方面获得应全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。用；高温超导材料的发现，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已引起全世界广泛关注，各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作，人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变革。1.超导材料的研究进展H1911年一个叫昂尼斯的荷兰物理学家做了一个试验，他把水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体，然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻。当他把温度降到绝对温度4K（相当于－269℃）时，一个奇怪的现象出现了，即水银的电阻突然变成了零。这个奇怪现象不仅昂尼斯自己很(a)正常态(T>TC)(b)超导态(T>TC)感意外，而且轰动了物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料叫超导材料。昂尼斯和许多科学家后来又发现了28迈斯纳效应示意图种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于TC的任一温度T近绝对零度，也就是-273℃的极低温，没有太大的实用可能性和经济下，当外加磁场强度H小于某一临界值HC时，超导态可以保持；当H价值。为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料，世界上无数科大于HC时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC，学家为之奋斗了近60年，直到1973年，英美一些科学家才找到一种在其值与材料组成和环境温度等有关。超导材料性能由临界温度TC和23K（-250℃）温度出现超导现象的铌-锗合金。此后这一纪录又保持临界磁场HC两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时了10多年。在无数人为寻找在高温下有超导现象的材料时，幸运的贝成为超导体。特诺茨和缪勒在瑞士国际商用公司实验室工作时，终于发现一种镧铜2.3同位素效应钡氧陶瓷材料在43K（-230℃）的较高温度下出现了超导现象，前联邦超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这德国人贝特诺茨和美国人缪勒立即成了在科学界引起轰动的新闻人称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18物。为此，他们获得1987年的诺贝尔物理学奖。此后,美籍华人学者朱经开，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146开。M与TC有近似关系：武、中国物理学家赵忠贤领导的研究小组相继发现了在98K（-175℃）12和78.5K（-194.5℃）有超导现象的超导材料。更令人振奋的是，美国和TCM＝常数2.4约瑟夫森效应日本等科学家在1991年又发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。有些科学家预测，球状分子碳60经过掺金属后，当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能将来有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装材料一样，在世界引起一场工业革命和科技革命。置称为约瑟夫森器件。如图所示。2.超导材料的主要特性V绝缘体2.1零电阻效应材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Supercon-ductor）。1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H.K.Onnes）发现在T＝4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的IIR－T特性曲线，如图所示。超导体约瑟夫森效应示意图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I>I0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。3.超导材料及应用3.1低温超导材料具有低临界转变温度（TC＜30K＝在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，TC为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，TC在9K以上。低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振图中的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；当电阻减人体成像仪等；Nb3Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体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外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于TC低，必须在液氦温度下使用，运转费（下转第435页）—434— 科技信息高校理科研究利用超声波局部放电原理测试变压器性能技术的应用青岛农业大学学生处王国辉［摘要］依据超声波测量变压器局部放电的机理，结合目前国内设备容量、电压等级不断增大的情况，本文阐述了超声波局部放电测试技术的必要性及应用情况。［关键词］超声波局部放电变压器目前检测变压器放电性故障的主要方法是进行局部放电水平的测和发展，液体的流动以及固体材料的微小开裂都会发出声波，通常由于量，有脉冲电流局部放电量测量法(以下简称脉冲电流法)和超声波局部局部放电在气体中产生的声波频率约几kHz，而在液体、固体中产生的放电测量法(以下简称超声波法)。脉冲电流法需在设备停电条件时靠外声波频率约在几十到几百kHz。变压器铁芯的噪声在低频领域，其噪声施电压进行检测，虽然能对放电量的大小进行定量测量，以确定放电点水平较高，机械振动的噪声大多在20kHz以下。超声波局部放电的检的电气位置，但是无法确定放电点的空间位置，且检测时必须为停电情测，应避开干扰频率范围而以高频率为对象。频率越高，声波在传送过况。因此，对变压器实施及时、在线的超声波局部放电检测，并配合其它程中的衰减越大，因此超声波局部放电检出的频率一般在数十到数百的绝缘试验项目(如油色谱气体分析、远红外测温等)，分析变压器绝缘kHz。测试频带应选用40～300kHz。状况，及时确定绝缘缺陷性质就显得越来越重要。3、超声波局部放电测试的必要性1、超声波局部放电测试原理超声波法是用置于油箱壁上的超声波传感器接收信号，通过信号绝缘介质局部放电有2种类型：气泡内放电；介质在高场强下游离大小的比较分析，对变压器内的局部放电进行定性测量，还能对放电点击穿。一些浇注、挤压的绝缘介质容易夹杂着气隙或气泡，空气的介电所处的空间位置进行确定，并具有在不停电条件下对变压器内的局部常数较固体介质小，而场强与介电常数成反比。因此，介质中的气隙或放电进行检测等优点，它的检测结果可以给变压器的故障分析及处理气泡是第一种局部放电的发源地；当局部电场更高时，在绝缘薄弱环节提供更多的信息，同时这一方法可避免现场各种电气信号的干扰。因处将引起介质的游离击穿。以上2种局部放电，在多数情况下往往同时此，超声波局部放电检测是变压器放电性故障测量及带电监测的一种发生或互相诱发。较好的方法。变压器在试验电压(或工作电压)下出现局部放电时，伴随产生电脉目前脉冲电流法在变压器离线试验条件下应用广泛，而在运行条冲、超声波、光、热和化学变化等现象。只要变压器内部存在局部放电，件下应用还存在一些困难。特别是我国电气设备仍沿用基于时间的预就一定会产生高频的电气扰动，并将向所有与其有连接的电气回路传防性试验，对于部分绝缘状况不佳的变压器设备，往往由于不能及时检播。利用连接到设备端子上的测试装置接到放电信号，可对变压器局部出绝缘薄弱点而导致运行事故发生。因此随着电力系统不断发展，提高放电进行定量检测。同时，只要存在局部放电，在放电过程中，随着放电电气设备的安全运行水平，开展变压器超声局部放电检测就显得非常的发生，伴随着爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播，必要。通过在线超声波局部放电检测，可随时随地地监视变压器局部放通过安装在变压器油箱外壁上的超声波传感器，将超声波信号转换为电水平的变化状态。电信号，就能对变压器内的局部放电水平进行测量，此即为变压器超声4、应用方法波局部放电测量法。首先在变压器本体建立固定的测试点，以第一次测量的超声波大在变压器内部发生局部放电时，伴随有声波能量的放出，超声波通小为基准值，建立超声波指纹，根据必要性定期进行检测，通过纵向波过不同介质(油纸、隔板、绕组、油等)向外传播。这种超声波信号以某一测量值比较，监视变压器内部局部放电水平的变化量，并结合变压器油速度通过绝缘纸板、绝缘油等介质向变压器油箱外传播，以球面波的形色谱分析、远红外测温等试验项目的综合分析，判断变压器的绝缘状式向四周传播，超声波穿过绝缘介质到达变压器箱壁上的传感器有2况，诊断变压器健康水平，确保变压器安全运行。条途径：一条直接传播，即超声波的纵向波穿过绝缘介质、变压器油等5、结束语到油箱内壁，并透过钢板到达传感器；另一条是以纵向波传到油箱内超声波法是电力变压器局部放电故障诊断的有效手段，它可使局壁，后沿钢板按横向波传播到传感器，此波为复合波。放电源S产生超部放电测试技术向多元化方向发展。利用超声测试与局部放电相结合声波，SA为纵向波，SBA、SCA为复合波。超声波具有很强的穿透能力，的测量方法能精确地测出变压器内部的局部放电故障点，并定性地测但是它在穿透各种介质时都会使波形发生某种程度的畸变，而这种畸量局部放电的变化情况。对在网运行的变压器进行故障诊断时，应用超变主要表现为幅值的衰减。虽然超声波在钢板中的传播速度比在变压声波法与油色谱分析等试验相结合能够确定设备是否存在局部放电，器油中的快得多，但是超声波在钢板中的衰减很大，所以到达传感器的并指出放电的大概位置。直接波的幅值比复合波大得多。尽管电力变压器内绝缘结构十分复杂，但是，该方法也有一定的局限性。当放电源位于变压器线圈表层时但是经绝缘油浸透的绝缘介质和变压器油的声阻抗十分接近，它们构测试是有效的；当放电源位于变压器绝缘深部时，信号将很难收到。对成许多间隙声通道。所以，产生在较外围的电力变压器局放故障，其超于同时出现的多点放电，如何判断超声信号的大小，如何区分其超声信声信号能够较强地传输到变压器箱体上的传感器。布置在油箱外壁上号，仍需要做进一步的工作。不同位置的超声传感器即检测探头相对于某一放电点之间的距离是不同的，放电产生的超声信号到达探头的时间也不同。通过超声接受传感参考文献器，测量超声波的大小及通过测量超声波传播的时延时间，即可确定局［1］东北电业管理局调度局.电力系统运行操作和计算［M］.北京：部放电源的空间位置。水利电力出版社,19772、检测频率的确定［2］水利电力部西北电力设计院.工厂电气设计手册［M］.北京:水利当发生局部放电时，由于绝缘弱点中分子的激烈撞击、气泡的形成电力出版社,1989（上接第434页）用昂贵，故其应用受到限制。导改为超导体，光是在中国节省电能相当于新建数十个大型发电厂。超3.2高温超导材料导材料在这些方面的应用是最诱人的。电子学应用包括超导计算机、超具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,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主要为多元系氧化物，高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把应堆等。目前，超导材料仍处于试验研究阶段。但人们相信，随着超导材超导应用的温度从液氦提高到了液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大获得重要应用。的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场（Hc2（4K）＞50T），4.结语能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的超导材料的研究是当今世界上一门新兴的科学技术。由于超导材不足之处。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、料能影响人类生存的许多重要领域，各国的材料科学家都在竞相探索电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完它的结构，研究它的性能，以求率先找到具有高临界温度的超导材料。全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场，可可以这样说，高温超导材料的突破，必将深刻地促进尖端科学技术的发用于制交流超导发电机，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场提高展，从而加速人类文明的进程。含苞待放的超导之花，必将带来一个缤到5万～6万高斯并没有能量损失，且单机发电容量比常规发电机提高纷的世界。5～10倍达1兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%；可用于磁流发电机，利用高温导电性气体作导体，并高速通过参考文献5万～6万高斯强磁场而发电，而且这种发电机具有结构简单和高温导［1］马文蔚，苏惠惠等.物理学原理在工程中技术中的应用［M］.北电性气体可重复利用的优点；可利用超导输电线路，利用超导导线和变京:高等教育出版社,1992.压器可以几乎无损耗地输送电能，据统计，按目前情况，如果将铜或铝［2］李斌.新科技启蒙［M］.北京:中国劳动社会保障出版社,2001.—435—