第四讲 超导体和等离子体

吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理，将 电磁铁臵于轨道下方并固定在车体转向架上，两 者之间产生一个强大的磁场，并相互吸引时，列 车就能悬浮起来。这种吸力式磁悬浮列车无论是 静止还是运动状态，都能保持稳定悬浮状态。 我国自行开发的中低速磁悬浮列车就属于这个 类型。
德国和日本是世界上最早开展磁悬浮列车研究 的国家，德国开发的磁悬浮列车Transrapid于1989 年在埃姆斯兰试验线上达到每小时436公里的速度。 日本开发的磁悬浮列车MAGLEV (Magnetically Levitated Trains)于1997年12月在山梨县的试验线 上创造出每小时550公里的世界最高纪录。 上海磁浮公司自2000年开始先后投入了超过100 亿建成的33公里长从浦东国际机场——龙阳路的 “磁浮示范运营线”，这被看成一个“尝尝鲜”的 “休闲旅游景观”，“并不具备真正的交通功能”。 每公里的综合造价(包括购买机车、建设、拆迁等等) 为3.13亿/公里。2004年和2005年，磁浮公司分别亏 损约2.6亿和4.4亿。
T/K
电磁感应效应
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为证实这一发现，他们用固态的水银做成环路， 并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。但当水 银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运 动，感应电流却仍然存在。他们坚持定期测量一 年，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存 在，并且没有强度变弱的任何迹象。
2eV
超导体的电子比热、同位素效应、超导能隙等 超导体的理论研究超出经典物理的范畴——BCS 理论（1957年联合提出）
大电流应用（强电应用） 二、超导技术的应用 电子学应用（弱电应用） 抗磁性应用
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全 的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得 10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体， 要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大 量的冷却水，投资巨大。 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发 电机和超导输电线路等。 超导发电机利用超导线圈磁体可以将发电机的 磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量 损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电 机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1 万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发 电效率提高50％。
等离子体被压缩，体内磁感应线会跟着一起变形
吸力式
推斥式是利用两个磁铁同极性相对而产生的排斥 力，使列车悬浮起来。 这种磁悬浮列车车厢的两侧，安装 有磁场强大的超导电磁铁。车辆运 行时，这种电磁铁的磁场切割轨道 两侧安装的铝环，致使其中产生感 应电流，同时产生一个同极性反磁 场，并使车辆推离轨面在空中悬浮 起来。 但是，静止时，由于没有切割电势与电流，车 辆不能产生悬浮，只能像飞机一样用轮子支撑车体。 当车辆在直线电机的驱动下前进，速度达到80公里 ／小时以上时，车辆就悬浮起来了。
第 超四 导讲 体 和 等 离 子 体
超导磁悬浮列车
超导 —超导电性 （金属、合金或其它材料电阻变零的性质） 一、超导物理性质 1、零电阻 1784年英国化学家拉瓦锡曾预 言：假如地球突然进到寒冷的地 区，空气无疑将不再以看不见的 流体形式存在，它将回到液态。 从那时候起，拉瓦锡的预言就 一直激励着人们去实现“永久气 体”的液化, 使气体变成液体，并 由此得到极低的温度。
超导和磁悬浮列车 自1825年世界上第一条标准轨铁路出现以来， 轮轨火车一直是人们出行的工具。然而，随着火 车速度的提高，轮子和钢轨之间产生的猛烈冲击 引起列车的强烈震动，发出很强的噪音，从而使 乘客感到不舒服。由于列车行驶速度愈高，阻力 就愈大。所以，当火车行驶速度超过每小时300公 里时，就很难再提速了。
从浦东龙阳路站(2002年建成的“浦东国际机 场至龙阳路”磁悬浮的西起点)出发，沿龙阳路、 白莲泾河向西，经世博园区，在耀华支路过黄浦 江隧道至浦西，到上海南站(火车站)，然后一直 向西，至中春路(沪杭铁路外环线)转向向北，直 至虹桥机场(建设中的“虹桥综合交通枢纽”，未 来的京沪高铁上海站)。其中，在虹桥机场、上海 南站和世博园区设有站点。这是上海市区磁悬浮， 即“机场快速公交系统”，的最终优化方案。 “但它只要一过黄浦江，一到南站，两个机场连起 来，一到世博园区，一进市区，那它的交通功能就 显示出来了”，而“经济效应也会很明显。运量上 来了，效益是客观的”。 “上海市区至嘉兴”(由 上海建设) 、“嘉兴至杭州东站”(由浙江建设)部分。
宇宙中99%以上的物质是等离子体 地球上，极光、闪电、 霓虹灯鲜艳的色彩（氖 或氩离子产生）围绕地 球50km到几万千米的 高空存在一层等离子称 为电离层
2、等离子体电磁特性 等离子体因有大量自由电子和正离子而成为 良好的导体，宏观电磁场对它有明显的影响 1）“静电屏蔽”——在等离子中臵一带电体，在 带电体外表面即形成“感应电荷，使该带电体对 等离子无影响 2）磁场“冻结”——一旦有磁场，这磁场将不再 发生变化。 等离子体运动，体内磁感应线会跟着一起运动
物质的聚集状态——通过分子间的错综复杂的电 磁相互作用而形成各种不同的态 物质有 四态： 固态
} 凝聚态 液态
气态
足球烯
碳纳米管
等离子态——具有气态的基本特征
团簇是由几个原子到几千个原子组成的凝聚体。 空间尺度：0.1~100 nm
三、等离子体 1、等离子体——部分或完全电离的气体，由大 量自由电子和正离子以及中性原子、分子组成。 在宏观上是近似电中性，被称为物质的第四态 （固体、液体、气体）
荷兰物理学家 昂尼斯 (H.K.Onnes)
1877年法国物理学家盖勒德首先实现了“永久气 体”中氧的液化，液体氧的温度低达-140℃.
1898年，英国科学家杜瓦获得液化氢，液氢的温 度为-252.76℃，次年杜瓦又成功地使液氢变为固 体氢，固体氢的温度低到-260℃。 1908年昂尼斯首次把 最后一个“永久气体” 氦气液化，并获得低 于4K的低温。
h 0 2.06783461 10 -15 Wb 2e 约瑟夫森效应是一种隧道效应（势垒贯穿）起 源于微观粒子波动性的量子效应
Байду номын сангаас
1962年由约瑟夫森从理论上预言，后被实验所证实
1）如果在两超导体之间夹有10-3 ~ 10-4 m 的绝缘， 薄层则即使绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍 然可以持续地流过直流超导电流 2）如果在绝缘层两层的超导膜上加直流电压， 则在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波，交变超导电流的振荡频率为
1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下 的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温 度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝结 成固态的水银的电阻突然下降并趋于零.
电阻率 2 1[1 （T2 - T1 )]
R/
0.10 0.05 * * *
*
超导的转变 温度 T
C
4.10 4.20 4.30
从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两 种：
20世纪50年代初，苏联科 学家提出了磁约束的概念，并 于1954年建成了第一个磁约束 装置——托卡马克(Tokamak)， 它是俄语“磁线圈环形真空室” 的缩写
为了维持强大的约束磁场，电流的强度非常大， 时间长了，线圈就要发热。从这个角度来说，常规 托卡马克装臵不可能长时间运转。为了解决这个问 题，人们把最新的超导技术引入到托卡马克装臵中， 这是解决托卡马克稳态运转的有效手段之一。 目前，法国、日本、俄罗斯和中国共有4个超导 的托卡马克装臵在运行，它们都只有纵向场线圈采 用超导技术，属于部分超导。其中法国的超导托卡 马克Tore-Supra体积较大，它是世界上第一个真正 实现高参数准稳态运行的装臵，在放电时间长达 120秒的条件下，等离子体温度为2000万度，中心 粒子密度每立方米1.5×1019个。中国和韩国正在建 造全超导的托卡马克装臵，目标是实现托卡马克更 长时间的稳态运行。
超导输电线路 超导材料用于制作超导电线和超 导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电 能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力 损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的 电能相当于新建数十个大型发电厂。 超导磁体是高能加速器和核聚变装臵不可缺少 的关键部件。
超导磁悬浮列车利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离 接触而悬浮于轨道之上，并利用直线电机驱动列车 运动的一种新型交通工具。由于超导磁悬浮列车的 时速高达500公里/小时，并具有安全、噪音低和占地 小等优点，因此被认为是未来理想的交通运输工具。
三种类型的磁悬浮技术: 超导电动磁悬浮——日本研发并拥有核心技术 常导电磁悬浮——德国研发并拥有核心技术； 永磁悬浮——由中国大连永磁悬浮课题组自主研 发，是拥有核心及相关技术发明专利的原始创新 技术，是独立于德国、日本磁悬浮技术之外的磁 悬浮技术。 磁悬浮列车主要有两种“悬浮”形式 推斥式
1988年初日本宣布制成临界温度达110K的BiSr-Ca-Cu-O超导体。至此，人们终于实现了液氮 温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。
科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度 可达125K (-148℃)，汞系化合物超导材料的临界 温度则可达135K (-138℃)。 如果将汞臵于高压条件下，其临界温度将能达 到难以臵信的164K (-109℃)。 1997年，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体 同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在 45K (-228℃)时具有超导电性。由于该化合物独特 的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力 将非常巨大。
电子学应用 自1962年超导量子隧道效应发现 以后，超导技术在电子学中的应用揭开了新的篇 章，经过多年的发展，至今已有许多新型的超导 电子器件研制成功，这些超导电子器件包括：超 导量子干涉器（SQUID）、超导混频器、超导数 字电路、超导粒子探测器等。其中SQUID磁强计 能够测量非常微弱的磁场，其分辨率能够达到1011高斯左右，可以用来测量人体的微弱磁场，描绘 出心磁力和脑磁图。超导粒子探测器具有很高的 灵敏度和纳秒级的速度，可以用来检测从亚毫米 波段到远红外波段的电磁信号。