超导材料的应用现状
发布时间：2023-09-04 浏览次数：199
返回列表超导材料已然成为21世纪具有战略意义的国之重器，是各国科技革命的突破重点。我们难以估量超导技术的普及会给国家和社会带来多少经济效益，综合国力会迈上多少台阶，但我们能说，超导技术“可以改变世界”。超导技术的突破性进展和广泛应用，将引起一场新的技术革命，并对科技、经济、军事乃至社会发展产生不可估量的影响。超导技术的应用范围十分广阔，在输电、电机、交通运输、航天、微电子、电子计算机、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。目前，超导材料应用最多的领域就是制作各种用途的超导磁体。超导磁体的优势是可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度。超导磁体有很多用途，比如核磁共振成像（MRI），已被广泛地应用于医疗检测、诊断之中，成为最为精确的医学检测手段之一。几乎世界上所有的用于重大科学研究工程的高强磁场，譬如各类粒子加速器、各类高能粒子对撞机、以及目前多国参与的国际热核聚变实验堆（ITER）的磁场，都离不开超导磁体。另外，还有各式各样的超导磁体被应用于检测仪器、各类实验装置、晶体生长等其他许多方面。利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备下输电，免去由于常规输电造成的10%以上电力损失(送电、变电、配电等每一步都存在电阻，使一部分电能转化成热量而白白浪费)，电费开支节省15%以上。电能在传输过程中损耗很大，超导电缆的优势在于电能在输送过程中可以最大限度地降低损耗，仅为传输功率的0.5%，而常规电线电缆的损耗要达到10%，能源节省一目了然。而且高温超导电缆的容量比常规电缆提高3～5倍、损耗下降60%，节约占地面积和空间，更为可观的是，总费用降低20%，经济效益明显。超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术，可有效解决能源短缺的问题。超导电机重量轻、紧凑性好，在风力发电机中特别具有优势。所以将超导电机用于风力发电是目前发展的趋势。超导电机采用超导材料替代常规电机的转子。传统电机以铜作为线圈绕组，采用超导材料后，可将铜用量从2.1ton减至0.44ton，铁用量从10.5ton减少至2.8ton，大大减少了金属的使用量，降低了成本；而制冷系统电力消耗导致的成本，已由使用周期长、效率高而得以抵消。效率高、性能好以及巨大的市场潜力驱动着超导电机的发展。在导体截面相同时，超导体制作的导线可以比铜导线（传统电磁铁绝大多数由铜导线绕制）承载高出几十倍的电流。也就是说，由超导线圈制作的磁悬浮机构可以产生比传统磁悬浮机构大得多的悬浮力。另外，铜线圈通电时会不断地产生焦耳损耗，而超导线圈因为无电阻不会产生焦耳损耗。因此在磁悬浮轨道交通系统中使用超导电磁线圈不但可以产生更大的悬浮力和驱动力，而且更加节能、环保。超导磁悬浮列车是会“飞”的火车，由于磁悬浮列车与铁轨之间的磁力作用，使列车悬浮在铁轨上方，消除了铁轨与车轮之间的摩擦力，时速可达500千米，而且行车平稳、噪声小、安全舒适、所需牵引力小、不污染环境。将来的轮船、汽车也可以用超导电动机开动。如果用超导电动汽车来代替燃油汽车，那么全世界一年可节省汽油10亿吨。储能，即通过某种手段将能量存储起来，在需要时释放的过程。按照储能的方式，可分为物理储能、化学储能和电磁储能，超导储能是电磁储能的一种。超导储能装置无需能量转换、直接储能，转换效率高，响应速度快，功率密度大。用于电网时，超导储能可以调节电网的负荷，低谷时储藏电能，高峰时释放电能，电力输入超导线圈中，电流可在里面长期流动而几乎不损耗电能，因此，可设计大容量的超导储能装置于地下岩石中，储存大量电能供电网调峰之用。超导体约束的等离子体可以引起核聚变以实现受控热核反应，为解决能源危机发挥重大作用。当然这种方式也不是没有缺点，比如运行及维护成本高。我国首台超导储能装置位于甘肃省白银变电站。超导体在电子学领域里大有用武之地。用超导芯片(约瑟夫森器件)代替普通芯片制成超导计算机，可以大大提高运算速度，减小计算机体积。美国研制的一台运算速度为800万次/秒的超导计算机，只有一部电话机那么大，运算速度提高了10～1000倍，而且元件不发热、功耗非常小、无故障、高效率运行时间要长得多。超导技术可用于通信。一根超导线路传递数据的速率高达每秒1亿次，可供1500万部电话机同时通话，比现有光纤通信的通信速率还快100倍。用超导器件制成的极其精密的超导量子干涉仪，可测出极其微弱的电磁波，被广泛用到电子工业中。超导量子干涉仪不但能探测出埋在地下的矿物，也能探测出人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘。利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强针 、 超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域。利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命起源的奥秘。
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