超导材料的应用
超导材料的应用窦华大同师范学校山西大同037039摘要一些用超导材料制成的设备已陆续投入应用有的产品也已见诸于市场。在强电和弱电领域超导材料可用的范围很广。随着高温超导材料的开发成功必将引起能源、交通、工业、医疗、生物、电子和军事等领域的重大变革。关键词超导材料强电应用弱电应用一、强电应用1.超导输电美国物理学家波恩特特奥马梯阿斯指出:电能的输送是超导体最重要的应用之一。发电站输出电能常用铝线和铜线。由于电阻的存在一部分电力在输出过程中转变为热能而消失存在着严重的损耗。而利用超导材料输电由于导线电阻消失线路损耗也就降为零用超导材料可制高效率大容量的动力电缆并且可减少导体的需求量节约大量有色金属资源。目前高温超导体HTS电力电缆的应用研究发展较快极有可能首先广泛运用于电力系统中。2000年美国已在底特律市的变电站使用第一条大容量HTS输电电缆。我国第一根HTS电缆模型已于1998年底在中科院研制成功。2.超导储能人类对电力网总输出功率的要求是不平衡的。即使一天之内也不均匀。利用超导体可制成高效储能设备。由于超导体可以达到非常高的能量密度可以无损耗贮存巨大的电能。这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来在用电高峰时释放出来解决用电不平衡的矛盾。美国已
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出一种大型超导储能系统可储存5000兆瓦小时的巨大电能充放电功率为1000兆瓦转换时间为几分之一秒效率达98它可直接与电力网相连接根据电力供应和用电负荷情况从线圈内输出不必经过能量转换过程。3.变压器发展超导变压器可提高电力变压器的性能。从经济上看超导材料的低阻抗特性有利于减小变压器的总损耗高电流密度可以提高电力系统的效率采用超导变压器将会大大节约能源减少其运作费用从绝缘运行寿命上看超导变压器的绕组和固体绝缘材料都运行于深度低温下不存在绝缘老化问题即使在两倍于额定功率下运行也不会影响运行寿命从对电力系统的贡献来看正常工作时超导变压器的内限很低增大了电压调节范围有利于提高电力系统的性能从环保角度看超导变压器采用液氮进行冷却取代了常规变压器所用的强迫油循环冷却或空冷降低了噪声避免了变压器可能引起的火灾危险和由于泄露造成的环境污染。4.超导电机在大型发电机或电动机中一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输。在高强度磁场下超导体的电流密度超过铜的电流密度这表明超导电机单机输出功率可以大大增加。在同样的电机输出功率下电机重量可以大大下降。小型、轻量、输出功率高、损耗小等超导电机的优点不仅对于大规模电力工程是重要的而且对于航海、航空的各种船舶、飞机特别理想。美国率先制成3000马力的超导电机我国科学家在20世纪80年代末已经制成了超导发电机的模型实验机。5.超导故障限流器由于电力系统容量的逐年增长导致电路短路功率及故障短路电流的迅速增大。装备短路限流器就能有效地限制短路电流降低对电网内电器的要求。用超导材料制成的限流器有许多优点:1它的动作时间快大约几十微妙2减少故障电流可将故障电流限制在系统额定电流2倍左右比常规断路器开断电流小一个数量级3它有低的额定损耗4集检测、转换、限制于一身可靠性高它是一类永久的超保险丝5结构简单体积小价格便宜。??55??内蒙古电大学刊2004年第2期总第60期6.在核能开发中的应用若想利用热核反应来发电首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁体能量极高结构复杂电磁和机械应力巨大常规磁体无法承担这一任务。只有通过超导磁体产生强大的磁场将高温等离子体约束住并且达到一个所要求的密度这样才可以实现受控热核反应。7.超导悬浮列车由于超导体具有完全抗磁性在车厢底部装备的超导线圈路轨
上沿途安放金属环就构成悬浮列车。当列车启动时由于金属环切割磁力线将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理列车受到向上推力而悬浮。超导悬浮列车具有许多的优点:由于它是悬浮于轨道上行驶导轨与机车间不存在任何实际接触没有摩擦时速可达几百公里磁悬浮列车可靠性大维修简便成本低能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一噪声小时速达300公里/小时噪声只有65分贝以电为动力沿线不排放废气无污染是一种绿色的交通工具。8.磁悬浮轴承高速转动的部位由于受轴承摩擦的限制转速无法进一步提高。利用超导体的完全抗磁性可制成无摩擦悬浮轴承。磁悬浮轴承是采用磁场力将转轴悬浮。由于它无接触因而避免了机械磨损降低了能耗减小了噪声进而具有免维护、高转速、高精度和动力学特性好的优点。磁悬浮轴承可适用于高速离心机、飞轮储能、航空陀螺仪等高速旋转系统。9.电子束磁透镜在通常的电子显微镜中磁透镜的线圈是用铜导线制成的场强不大磁场梯度也不高且时间稳定性较差使得分辨率难以进一步提高。运用超导磁透镜后以上缺点得到了克服。目前超导电子显微镜的分辨已达到3埃可以直接观察晶格结构和遗
无损检测无损传物质的结构已成为科学和生产部门强有力的工具。二、弱电应用1.检测是一种应用范围很广的探测技术其工作方式有超声探测、X光探测及涡流检测技术等。SQUID无损检测技术在此基础上发展起来。SQUID磁强计的磁场灵敏度已优于100ft完全可以用于无损检测。由于SQUID能在大的均匀场中探测到场的微小变化增加了探测的深度提高了分辨率能对多层合金导体材料的内部缺陷和腐蚀进行探测和确定这是其他探测手段所无法办到的。工业上用于探测导体材料的缺陷、内部的腐蚀等军事上可能于水雷和水下潜艇等的探测。2.超导微波器件在移动通信中的应用移动通信业蓬勃发展的同时也带来了严重的信号干扰频率资源紧张系统容量不足数据传输速率受限制等诸多难题。高温超导移动通信子系统在这一背景下应运而生它由高温超导滤波器、低噪声前置放大器以及微型制冷机组成。高温超导子系统给移动通信系统带来的好处可以归纳为以下几个方面:1提高了基站接收机的抗干扰的能力2可以充分利用频率资源扩大基站能量3减少了输入信号的损耗提高了基站系统的灵敏度从而扩大了基站的覆盖面积4改善通话质量提高数据传输速度5超导基站子系统带来了绿色的通信网络。3.超导探测器用超导体检测红外辐射已设计制造了各种样式的高TC超导红外探测器。与传统的半导体探测比较高TC超导探测器在大于20微米的长波探测中将为优良的接受器件填充了电磁波谱中远红外至毫来波段的空白。此外它还具高集成密度、低功率、高成品率、低价格等优点。这一技术将在天文探测、光谱研究、远红外激光接收和军事光学等领域有广泛应用。4.超导计算机超导器件在计算机中运用将具有许多明显的优点:1器件的开关速度比现存半导体器件快2-3个数量级比普通半导体Si集成电路要快一千倍左右2很低的功率。只有半导体器件的千分之一左右散热问题很易解决3输出电压在毫伏数量级而输出电流大于控制线内的电流具有一定增益信号检测方便。同时体积更小成本更低另外因超导抗磁效应电路布线干扰完全消除信号准确无畸变。当然超导材料的用途还有很多它的优点也十分突出但是它必须工作在比TC低的温度目前TC为look这无疑限制了它的应用。随着高温超导材料的开发成功必将引起能源、交通、工业、医疗、生物、电子和军事等领域的重大变革。责任编辑:联群??56??窦华超导材料的应用学术研究
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