電動汽車超導體

E. 超導體的發展歷程

1911年：超導電性的發現1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。經過科學家們的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。 超導現象 1911年，荷蘭科學家卡末林—昂內斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K時，水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性，此溫度稱為臨界溫度。根據臨界溫度的不同，超導材料可以被分為：高溫超導材料和低溫超導材料[1]。但這里所說的「高溫」，其實仍然是遠低於冰點0℃的，對一般人來說算是極低的溫度。 1973年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K，這一記錄保持了近13年。1986年 1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）具有35K的高溫超導性。此後，科學家們幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現。 1986年，美國貝爾實驗室研究的超導材料，其臨界超導溫度達到40K，液氫的「溫度壁壘」（40K）被跨越。 1987年 1987年，美國華裔科學家朱經武以及中國科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的「溫度壁壘」（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986－1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近100K。 來自德國、法國和俄羅斯的科學家利用中子散射技術，在高溫超導體的一個成員單銅氧層Tl2Ba2CuO6＋δ中觀察到了所謂的磁共振模式，進一步證實了這種模式在高溫超導體中存在的一般性。該發現有助於對銅氧化物超導體機制的研究。 高溫超導體具有更高的超導轉變溫度（通常高於氮氣液化的溫度），有利於超導現象在工業界的廣泛利用。高溫超導體的發現迄今已有16年，而對其不同於常規超導體的許多特點及其微觀機制的研究，卻仍處於相當「初級」的階段。這一點不僅反映在沒有一個單一的理論能夠完全描述和解釋高溫超導體的特性，更反映在缺乏統一的、在各個不同體繫上普遍存在的「本徵」實驗現象。本期Science所報道的結果意味著中子散射領域里一個長期存在的困惑很有可能得到解決。 超導體原料 早在1991年，法國物理學家利用中子散射技術在雙銅氧層YBa2Cu3O6＋δ超導體單晶中發現了一個微弱的磁性信號。隨後的實驗證明，這種信號僅在超導體處於超導狀態時才顯著增強並被稱為磁共振模式。這個發現表明電子的自旋以某種合作的方式產生一種集體的有序運動，而這是常規超導體所不具有的。這種集體運動有可能參與了電子的配對，並對超導機制負責，其作用類似於常規超導體內引起電子配對的晶格振動。但是，在另一個超導體La2－xSrxCuO4＋δ（單銅氧層）中，卻無法觀察到同樣的現象。這使物理學家懷疑這種磁共振模式並非銅氧化物超導體的普遍現象。1999年，在Bi2Sr2CaCu2O8＋δ單晶上也觀察到了這種磁共振信號。但由於Bi2Sr2CaCu2O8＋δ與YBa2Cu3O6＋δ一樣，也具有雙銅氧層結構，關於磁共振模式是雙銅氧層的特殊表徵還是「普遍」現象的困惑並未得到徹底解決。 理想的候選者應該是典型的高溫超導晶體，結構盡可能簡單，只具有單銅氧層。困難在於，由於中子與物質的相互作用很弱，只有足夠大的晶體才可能進行中子散射實驗。隨著中子散射技術的成熟，對晶體尺寸的要求已降低到0.1厘米3的量級。晶體生長技術的進步，也使Tl2Ba2CuO6＋δ單晶體的尺寸進入毫米量級，而它正是一個理想的候選者。科學家把300個毫米量級的Tl2Ba2CuO6＋δ單晶以同一標准按晶體學取向排列在一起，構成一個「人造」單晶，「提前」達到了中子散射的要求。經過近兩個月散射譜的搜集與反復驗證，終於以確鑿的實驗數據顯示在這樣一個近乎理想的高溫超導單晶上也存在磁共振模式。這一結果說明磁共振模式是高溫超導的一個普遍現象。而La2－xSrxCuO4＋δ體繫上磁共振模式的缺席只是「普遍」現象的例外，這可能與其結構的特殊性有關。 關於磁共振模式及其與電子間相互作用的理論和實驗研究一直是高溫超導領域的熱點之一，上述結果將引起許多物理學家的關注與興趣。 20世紀80年代是超導電性的探索與研究的黃金年代。1981年合成了有機超導體，1986年繆勒和柏諾茲發現了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物LaBaCuO4，其臨界溫度約為35K。由於陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質，因此這個發現的意義非常重大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學獎。 1987年在超導材料的探索中又有新的突破，美國休斯頓大學物理學家朱經武小組與中國科學院物理研究所趙忠賢等人先後研製成臨界溫度約為90K的超導材料YBCO（釔鉍銅氧）。 1988年 1988年初日本研製成臨界溫度達110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體。至此，人類終於實現了液氮溫區超導體的夢想，實現了科學史上的重大突破。這類超導體由於其臨界溫度在液氮溫度（77K）以上，因此被稱為高溫超導體。 自從高溫超導材料發現以後，一陣超導熱席捲了全球。科學家還發現鉈系化合物超導材料的臨界溫度可達125K，汞系化合物超導材料的臨界溫度則高達135K。如果將汞置於高壓條件下，其臨界溫度將能達到難以置信的164K。 1997年 1997年，研究人員發現，金銦合金在接近絕對零度時既是超導體同時也是磁體。1999年科學家發現釕銅化合物在45K時具有超導電性。由於該化合物獨特的晶體結構，它在計算機數據存儲中的應用潛力將是非常巨大的。 2007年 自２００７年１２月開始，中國科學院物理研究所的陳根富博士已投入到鑭氧鐵砷非摻雜單晶體的制備中。今年２月１８日，日本東京工業大學的細野秀雄教授和他的合作者在《美國化學會志》上發表了一篇兩頁的文章，指出氟摻雜鑭氧鐵砷化合物在零下247.15℃時即具有超導電性。在長期研究中保持著跨界關注習慣的陳根富和王楠林研究員立即捕捉到了這一消息的價值，王楠林小組迅速轉向製作摻雜樣品，他們在一周內實現了超導並測量了基本物理性質。 幾乎與此同時，物理所聞海虎研究組通過在鑭氧鐵砷材料中用二價金屬鍶替換三價的鑭，發現有臨界溫度為零下248.15℃以上的超導電性。 2008年 2008年３月２５日和３月２６日，中國科學技術大學陳仙輝組和物理所王楠林組分別獨立發現臨界溫度超過零下233.15℃的超導體，突破麥克米蘭極限，證實為非傳統超導。 2008年３月２９日，中國科學院院士、物理所研究員趙忠賢領導的小組通過氟摻雜的鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達零下２２１.１５℃，４月初該小組又發現無氟缺氧釤氧鐵砷化合物在壓力環境下合成超導臨界溫度可進一步提升至零下２１８.１５℃。

F. 高溫超導體對電動汽車有什麼作用

已經投入使用的電動汽車由蓄電池組和電動機組成。由於蓄電池的儲電能力有限，所以此類汽車一次行程較短。利用高溫超導體可以極大減少蓄電池的功率損失，提高儲電容量，增加供電能力。這樣，電動汽車將可能風行世界，對減少大氣污染和簡化汽車結構，無疑將是十分有利的。

G. 什麼叫做高溫超導材料

超導技術的研究是當代科技中的一項重大課題。隨著「低溫」超導材料研究開發難度的增大，興起了「高溫」超導材料的研究開發。
早在1911年，荷蘭科學家昂尼斯用液氮冷卻水銀，當溫度降到-2690C左右時，發現水銀的電阻空氣完全消失，這種現象稱為「超導」現象，所有具有這種零電阻的材料稱為超導體。由於超導體具有兩大宏觀特徵，即零電阻和完全抗磁性，因而它可以輸送大電流不發熱，幾乎不損耗能量。但是在1911年之後的70多年裡，科學家所研製的超導體一直處在低溫下，最高溫度只有23．2K。直到80年代後期，發現了轉變溫度達35K的鑭鋇銅氧化物之後，世界性的「高溫」超導材料的研究開發熱才蓬勃發展起來。從1987年到現在，美、中、日三國都相繼發現了轉變溫度100K的超導材料。當前，世界各國在高溫超導材料研究方面競爭十分激烈，都希望率先找到常溫條件下的高溫超導材料。我國對超導材料的探索，以及相關的材料科學基礎性研究方面一直保持或接近世界前沿。1998年7月24日，北京有色金屬研究總院研製成功我國第一根由鉍系高溫超導材料製造的輸電電纜，性能達到世界先進水平。
高溫超導材料的應用必將導致一場新的技術革命，其意義不亞於半導體材料。這是因為超導材料的應用領域較廣：①電力輸送。可以不加壓輸電，電能損失可減少10％以上，電費開支可節省15％以上。據測算，單是超導輸電的實現就可使美國一年節省價值100億美元的電力。②受控熱核聚變反應裝置。其反應過程中的溫度高達1億攝氏度，目前還沒有任何裝置能約束這種極高溫的反應過程，而將來用超導體產生的超強磁場可有效地控制這種反應過程。③超導磁懸浮列車。這種列車打破了傳統的輪軌接觸方式，它是在沒有輪子的車廂上和軌道上安置線圈，電流通過時使之產生相斥的磁場將車廂抬起懸浮狀，以線形電機推動車廂前進。這種列車沒有輪軌接觸滾動的阻力，列車行駛速度大大提高，時速可達500多公里。如北京到廣州，只需要4個多小時。另外，用超導電動汽車取代燃油汽車，全世界每年可節省燃油10億噸以上，並可大大減少噪音和環境污染。④超導電子計算機。用超導晶元將大大提高計算機的運算速度，並減少體積。美國IBM公司研製的一台運算速度為8000萬次/秒的超導計算機，體積只有一部電話機大小，其元件不發熱，可長時間高效率運行。

H. 超導體的應用有哪些

磁共振成像迅速發展為商品化生產，至今世界上約有700多台磁共振成像儀，產品生產主要集中於美國和德國，美國約佔70％，磁體類型中，超導磁體佔了全部產品的95％左右。

超導磁分離，是根據種種物質磁性和密度的差異進行分選的一種方法。由於磁杯不同的顆粒在磁分離裝置的分選空間中受到磁力、機械力不同的作用，將沿不同路徑運動，從而可分別接取磁性產品和非磁性產品。

超導磁體具有不可比擬的低耗能特點，這些都大大降低了分離裝置的運行成本，雖然初始投資略高於常規磁體，但運行成本非常低，預計可降低90％以上。

超導貯能與其他貯能技術相比有許多優點，貯能密度大，貯能效率高(90％～95％)，釋放能時沒有效率損失。

超導貯能技術有許多重要用途，它在節約電能、提高電網穩定性和調節電力系統尖峰負荷方面有重要作用；它還可作為宇宙站的電源，也可作為受控熱核反應、激光武器、粒子束武器和電磁軌道炮等的脈沖電源。

將常規發電機的轉子以超導線圈替代則形成超導同步發電機。超導發電機與常規發電機相比，具有以下優點：機械與通風損耗少，雖然增加了冷卻系統的功率損耗，但整個發電系統的損耗只是常規發電機的一半兒，使超導發電機的效率提高0.5％～0.8％(常規發電機效率98％，超導發電機效率99％)。

超導發電機的體積小、重量輕，只有常規發電機的1／3～1／2，同步電抗小，穩定性好。由於省去了鐵芯，降低了電樞繞組對地絕緣的要求，因此可採用電樞繞組，省去升壓變壓器，可直接投入已有電網運行。

國際上認為，超導同步發電機是未來電站的主力，並爭相開展研製工作。已研製完成的最大容量為前蘇聯和法國的30萬千瓦發電機。美國和日本並不急於開發百萬千瓦級的發電機，他們已研製完成的發電機容量分別為3萬千瓦和5萬千瓦。日本計劃研製國內最大的20萬千瓦的發電機。

發電站的容量隨著電力需求的增長而增長，因此，大功率、長距離、低損耗的輸電技術對提高輸電的經濟效益是十分重要的，而超導體具有零電阻的特性，可以輸送極大的電流和功率而沒有電功率損耗，因此超導輸電系統必將帶來大的改觀。

當今世界，提高陸路交通工具的速度對促進國家經濟發展和改善人們生活質量是十分重要的。傳統的鐵路車輛由於車輪和鐵軌磨損嚴重，以及車輪與鐵軌的摩擦力，限制了車速。這種機車目前設計速度最高可達274公里/小時，運行平均速度為209公里／小時。在本世紀60年代，法國、英國和美國又生產出有軌的氣墊機車，城市間運行速度可達160公里/小時。然而，由於人們對磁懸浮興趣的增長，現在氣墊機車的發展已陷於停頓狀態。

日本人設計一種電動懸掛系統，該系統使用了由液氦冷卻的(-269℃)鈮等超導物質做成的超導磁體，在-269℃下它的電阻為零，利用超導磁體的排斥力，從而使軌道與列車之間形成10～15厘米的空隙。一個小型示範性模型列車創造了517公里／小時的世界記錄，其試驗軌道長6.5公里，使用的超導材料是NbTi，在液氦下冷卻到5K。

磁懸浮列車與傳統列車相比有一系列的優點，克服了傳統列車對速度的限制；非接觸的運行克服了惡劣氣候(如雨、雪或冰)的障礙；採用非接觸運行，沒有機械磨損，減少了維修成本；由於沒有運動部件，大大提高了系統的可靠性；由於只用電能，對於石油供應緊張的國家更有意義；可節省能源，100公里消耗能源只是飛機或汽車的1／4；速度極大提高，增加了運送旅客的能力，具有很大的潛在市場；大幅度地降低了雜訊與振動，有利於保護環境。

粒子加速器是研究宇宙和物質基本問題的主要設備，美國在加速器的建造方面走在世界最前列。隨著超導體技術的發展，在1988年美國國家科學基金會批准了建造至今為止功能最強的粒子加速器——超級超導對撞機(SSC)計劃，3年財政預算達32億美元。計劃1999年將超級超導對撞機投入運行。超級超導對撞機相當龐大，在地下鋪設了長度為53英里的環形管道。超級超導對撞機將把相向的兩個質子束加速到光速的99.9％以上的速度，超導磁體使質子束彎曲和聚焦以通過彎曲的路徑，超導磁體要比普通鐵磁體產生更強的磁場，使質子束行進的曲率半徑更小，這樣就使環形管道的尺寸小型化。

自1962年發現約瑟夫遜效應後，直流超導量子器件和射頻超導量子器件相繼於1964年和1967年問世。由超導量子干涉器件構成的測量儀器具有很高的磁場靈敏度、很寬的動態范圍和優良的頻率響應特性，所以有廣泛的用途。利用超導量子干涉器件可以測出由人的心臟和腦產生的極微弱的信號，也可以測出由潛入海洋的潛艇產生的對地球磁場的干擾或含油和礦床的地質層中的磁場分布。

從1964年以來，研究工作者已將超導量子干涉器件的極高靈敏度用於進行廣泛的科學研究。它可以測量極小的電壓、電流和電阻；可用於尋找油田和地熱能源；研究地震活動；偵察潛艇等。斯坦福大學的科學家用連到5噸重鋁棒上的超導量子干涉器件來尋找萬有引力輻射線。超導量子干涉器件的用途極為廣泛，幾乎所有使用超導體的電子儀器都涉及到超導量子干涉器件。隨著超導技術的發展，超導量子干涉器件的應用必然不斷地擴大。

許多科學家堅信，未來的超大容量快速計算機一定會用到超導的，也就是使用約瑟夫遜元件的超高速計算機。前面已經談過，所謂約瑟夫遜效應就是把兩個超導體材料靠得非常緊、離得非常近時，即使它們之間的物質是絕緣的也會有電流流過。可以簡單地講，運用這個效應的器件就稱作約瑟夫遜元件。通過調節兩塊超導體間的絕緣層的厚薄，可以使其電壓比某一特定值大時才有電流通過，小時則沒有。約瑟夫遜元件就是利用了這一現象。

這種現象與半導體的二極體是相同的，所以可以用於計算機。但是，約瑟夫遜器件具有極高的開關速度(是硅器件的10～100倍)和低功耗(只有硅的千分之一以下)，因此發熱量極小，可以實現體積小、高密集度。例如，日本電氣公司開發出了使用約瑟夫遜元件的新的邏輯電路，其門開關速度達到一萬億分之一秒。

此外，超導還可以在輻射探測儀、模擬信號處理器、超導磁屏蔽、電壓基準等方面廣泛應用。

在國防系統方面，超導技術在軍事上也可大顯身手。在弱電方面，用於水下通信、潛艇探測、遙感、掃雷等；製成高頻微波器件、紅外探測器，用於雷達、微波通信及地面衛星接收機；超導天線及饋線系統，用於導彈和衛星；數字信號和數據處理器等。在強電方面，主要是利用高電流密度超導材料所產生的強磁場及超導儲能線圈可以存儲大量能量的特性作為武器的能源，這樣可以減少儲能設備的尺寸和重量。美國的「星球大戰」計劃中投入5000萬美元進行這方面的研究。研究中使用的低溫超導磁體，估計其儲能密度相當高，在微微秒時間內釋放出來。

超導強磁體用於艦船推進系統。美國已用低溫超導材料製造出試驗性的3兆瓦直流電機，用於艦船推進系統並在海中進行了試驗。該電機比相同功率傳統空冷電機小33％。實際上，利用低溫超導材料及當前的技術可以使電機的重量進一步減小，例如一台具有3萬千瓦的超導單極直流電機僅為現在同樣功率的交流電機重量的四分之一。美國正在研製這類規模的超導電機，日本也在進行小模型的試驗研究。

超導電子軌道炮。美國的「星球大戰」計劃組織支持了該項技術的研究。軌道炮技術是作為射彈加速器來使用的，它能使拋射物達到極高的速度。這種拋射系統不同於化學推進系統，前者可達到的末端點的速度不受氣體膨脹速度限制而由行進的電磁脈沖的速度決定，因此可達到很高的速度。

高溫超導的應用大多是低溫超導應用的延伸，即當前已實用的或可預見年份實用的低溫超導設備與器件中的低溫超導材料用高溫超導材料替代，以降低成本，擴大超導的應用范圍。但高溫超導應用遇到的問題較多，現在仍是物理學前沿陣地的富有挑戰性的研究課題。

I. 雅迪電動車上顯示的超導磁能系統是什麼意思

就是無刷馬達，馬達是智能磁性動力

J. 超導電動車，什麼是超導電動車

超導----就是個名字