压电陶瓷的应用压电陶瓷应用.doc

1911年荷兰物理学家昂尼斯发现，当温度降至绝对温度 K时，汞（水银）的电阻突然变为零（最初的测量者是Gilles Holst）。人们把电阻为零时的状态称为超导态，相应的温度称为该物质的超导临界温度，用Tc表示。昂尼斯曾想，水银的电阻为零，可以通以很大的电流而不发热，这便可产生很强的磁场。但他做相应的实验失败了。因为，即使临界温度Tc,但通过超导体的电流超过某一临界值Ic，或磁场超过某一临界值Hc时都会破坏超导态 ，而变为常态，因而物质的三临界常数是相互关联的。 二. 超导电性及其物理原理 ????超电导材料处于超导电态时具有两个完全独立的基本性质——零电阻性和完全抗磁性。 1． 零电阻性质 ????物质为什么有电阻？电阻大小与什么有关？这要从物质结构说起。金属是由周期性排列的正离子晶格和处于游离状态的自由价电子组成，价电子在晶格见杂乱无章地运动，其平均速度矢???为零，不呈现定向电流。如果外加一电场，则电子获得附加的定向运动，形成电流。对于完全周期性晶格，它对电子的定向运动没什么影响（阻碍），不造成电阻；当晶格的周期性受到破坏时，电子的定向运动受影响（阻碍），折旧是金属中电阻的起源。有哪些因素破坏晶格的周期性呢？首先是由于晶格的热运动；使之绕各自的平横位置振动，破坏周期性；其次是由于缺陷（正离子站错位置）和杂质的存在，破坏其周期性。在低温时，电阻率可表示为?????式中A 为常量（只随材料而异），T是绝对温度， 来自晶格的缺陷和杂质， 来自晶格的热运动。可见电阻率随温度下降而迅速减少。但为什么当温度降至临界温度 时，电阻率突然降至零呢？按照理论，当材料的温度降至临界温度 时，金属中，两个动量等值反向的电子束缚在一起形成所谓库柏对，库柏对的总动量为零。如果它们之中一个与晶格碰撞失去动量 ，另一个必同时获得动量 ，使总动量保持为零，即质心不动。当外加电场时，库柏对质心获得动量 ，并作定向运动，形成电流。同样理由，库柏对电子与晶格碰撞不改变质心，动量，这仍等价于电阻为零。应该指出，所谓零电阻并非绝对为“零 ”，而只是指在当时的实验条件下的最小可测电阻率的 （百万分之一），这个数字很小，不妨说是零。2． 完全抗磁性（迈斯纳效应） 超导态样品的完全抗磁性是迈斯纳发现的所以又称为迈斯纳效应，他指磁场不能进入导体内部，即使倒替内部的磁场感应强度 。物理机制是：当把超导体放进磁场中时，由于电感应作用，在超导体表面形成感应电流I（永久电流），在超导体内部，感应电流I（又称抗磁）激发的磁场和外磁场等值反向，相互抵消。图8—1给出放进磁场中的超导体球体的磁感应分布情况 ????实际上，感生电流是分布在一薄的表面层内，理论（见下一小节）和实验研究表明磁场分布按指数衰减，其透入深度一般在 — 之间，因而在研究大块物体时可认为透入深度为零。 三.超导电性在电力工业上的应用 ????高温超导的实现将给电力工业带来重大的变革。由于超导电性的独特性质，它将被应用在发电，输电、储电和用电，的各个领域中，下面作简要的介绍。 1．超导磁体 ????用铁磁材料制成的永磁铁，它两极附近的磁场，只能达7007～8000高斯，由于受铁磁材料性质的限制，要提高磁场·强度便有困难；电磁铁由于铁芯磁饱和效应的限制，也只能产生25000高斯的磁场，用通电流的铜丝圈，它产生的磁场高达10万高斯，由于热损失严重，需耗电达1600千瓦，且每分钟需用于冷却的水量达4．5吨。超导磁体不需水冷却，耗电极小，几万高斯的磁体只需功率几百瓦。5万高斯的铜线圈磁体重达20吨，而超导磁体只有几百公斤。现世界上已制成的超导磁体磁感应强度已达17万高斯，正在研制，20～30万高斯的超导磁体。此外，超导磁体的时间稳定性、空间均匀性和磁场梯度都比通常的磁体高很多。 2．超导电机 ????世界上发电机趋向于大容量，目前单机容量已达100万千瓦，本世纪末可达1000万千瓦。发电机的输出功率与电机．中磁场的磁感应强度和电抠的电流密度成正比。常规的磁性材料受磁性饱和的限制，故磁感应强度要大幅度增加有困难，若用超导磁体，磁感应强度可提高5～15倍；常规导线允许通过的电流密度为102～103安培／厘米2，而超导线载流能力可达工104安培／厘米2，故超导电机的输出功率可以大大提高，高达102～103倍(常规电机50万千瓦重达500吨，而超导电机100万千瓦的总重也只有100吨。从造价估计，就用液氦的低温建造100万千瓦的发电机也可以与常规电机进行竞争。由于超导电机(包括电动机)具有输出功率高，重量轻、体积小，耗损小等优点，对航海、航空是更为理想的、动力设备。 4. 超导电缆 ????电能在零电阻，输送是完全没有损耗的，目前由于低温获比较困难，但它必将是超导体的重要应用。在液氦低温(4．2K)已有实验性电缆。结论是用于