《超导及其应用技术》word版.doc

超导及其应用技术超导及其应用技术 2010年10月28日超导是超导电性的简称，它是指金属、合金或其它材料在低温条件下电阻变为零，电流通过时不会有任何损失的性质。当温度升高时，原有的超导态会变成正常的状态。超导现象是荷兰物理学家翁纳斯（HKOnnes，18531926年）首先发现的。 翁纳斯在1908年首次把最后一个“永久气体”氦气液化，并得到了低于4K的低温。1911年他在测量一个固态汞样品的电阻与温度的关系时发现，当温度下降到4.2K附近时，样品的电阻突然减小到仪器无法觉察出的一个小值（当时约为1?105W）。由实验测出的汞的电阻率在4.2K附近的变化情况，该曲线表示在低于4.15K的温度下汞的电阻率为零。 电阻率为零，即完全没有电阻的状态称为超导态。除了汞以外，以后又陆续发现有许多金属及合金在低温下也能转变成超导态，但它们的转变温度（或叫临界温度Tc）不同。表1列出了几种材料的转变温度。 表1 几种超导体 利用超导体的持续电流可做一个很有趣的悬浮实验。将一个小磁棒丢入一个超导铅碗内，可看到小磁棒悬浮在铅碗内而不下落（图1）。这是由于电磁感应使铅碗表面感应出了持续电流。根据楞次定律，电流的磁场将对磁棒产生斥力，磁棒越靠近铅碗，斥力就越大。最后这斥力可以大到足以抵消磁棒所受重力而使它悬浮在空中。 图1 超导铅碗上方悬浮着小磁棒 超导体的电阻准确为零，因此一旦它内部产生电流后，只要保持超导状态不变，其电流就不会减小。这种电流称为持续电流。有一次，有人在超导铅环中激发了几百安培的电流，在持续两年半的时间内没有发现可观察到的电流变化。如果不是拆掉了维持低温的液氮装置，此电流可能持续到现在。当然，任何测量仪器的灵敏度都是有限的，测量都会有一定的误差，因而我们不可能证明超导态时的电阻严格地为零。但即使不是零，那也肯定是非常小的它的电阻率不会超过最好的正常导体的电阻率的1015倍。 具有持续电流的超导环能产生磁场，而且除了最初产生持久电流时需要输入一些能量外，它和永久磁体一样，维持这电流和它所产生的磁场，并不需要任何电源。这意味着利用超导体可以在只消耗少许能量的条件下获得很强的磁场。 遗憾的是，强磁场对超导体有相反的作用，即强磁场可以破坏超导电性。例如，在绝对零度附近，0.041T的磁场就足以破坏汞的超导电性。接近临界温度时，甚至更弱的磁场也能破坏超导电性。破坏材料超导电性的最小磁场称为临界磁场，以Bc表示，Bc随温度而改变。 实验已表明，对于所有的超导体，Bc与T的关系可以近似地用抛物线公式 表示，式中Bc(0)为绝对零度时的临界磁场。 临界磁场的存在限制了超导体中能够通过的电流，例如在一根超导线中有电流通过时，这电流也在超导线中产生磁场。随着电流的增大，当它的磁场足够强时，这导线的超导电性就会被破坏。例如，在绝对零度附近，直径0.2cm的汞超导线，最大只允许通过200A的电流，电流再大，它将失去超导电性。对超导电性的这一限制，在设计超导磁体时必须加以考虑。 我们知道，由于导体有电阻，所以为了在导体中产生恒定电流，就需要在其中加电场。电阻越大，需要加的电场也就越强。对于超导体来说，由于它的电阻为零，即使在其中有电流产生，维持该电流也不需要加电场。这就是说，在超导体内部电场总为零。 利用超导体内电场总是零这一点可以说明如何在超导体内激起持续电流。如图2（a）所示，用线吊起一个焊锡环（铅锡合金），先使其温度在临界温度以上，当把一个条形磁铁移近时，在环中激起了感应电流。但由于环有电阻，所以此电流很快就消失了，但环内留有磁通量F。然后，如图2（b）所示，将液氦容器上移，使焊锡环变成超导体。这对环内的磁通F不变，如果再移走磁铁，合金环内的磁通量是不能改变的。若改变了，根据电磁感应定律，在环体内将产生电场，这和超导体内电场为零是矛盾的。因此，在磁铁移走的过程中，超导环内就会产生电流（图2(c)），它的大小自动地和F值相应。这个电流就是超导体中的持续电流。 图2 超导环中持续电流的产生 由于超导体内部电场强度为零，根据电磁感应定律，它体内各处的磁通量也不能变化。由此可以进一步导出超导体内部的磁场为零。例如，当把一个超导体样品放入一磁场中时，在放入的过程中，由于穿过超导体样品的磁通量发生了变化，所以将在样品的表面产生感应电流（图3（a）。这电流将在超导体样品内部产生磁场。这磁场正好抵消外磁场，而使超导体内部磁场仍为零。在超导体的外部，超导体表面感应电流的磁场和原磁场的叠加将使合磁场的磁感线绕过超导体而发生弯曲（图3（b）。这种结果常说成是磁感线不能进入超导体。 图3 超导体样品放入磁场中 不但把超导体移入磁场中时磁感线不能进入超导体，而且原来就在磁场中的超导体也会把磁场排斥到超导体之外。1933年迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔特（Ochsenfeld）在实验中发现了下述事实。他们先把在临界温度以上的锡和铅样品放入磁场中，由于这时样品不是超导体，所以其中有磁场存在（图4(a)。当他们维持磁场不变而降低样品的温度时，发现当样品转变为超导体后，其内部也没有磁场了(图4(b)。这说明，在转变过程中，在超导体表面上也产生了电流，这电流在其内部的磁场完全抵消了原来的磁场。一种材料能减弱其内部磁场的性质叫抗磁性。迈斯纳实验表明，超导体具有完全的抗磁性。转变为超导体时能排除体内磁场的现象叫迈斯纳效应。迈斯纳效应中，只在超导体表面产生电流是就宏观而言的。在微观上，这电流是在表面薄层内产生的，薄层厚度约为105cm。在这表面层内，磁场并不完全为零，因而还有一些磁感线穿入表面层。 图4 在磁场中样品向超导体转 严格说来，理想的迈斯纳效应只能在沿磁场方向的非常长的圆柱体（如导线）中发生。对于其它形状的超导体，磁感线被排除的程度取决于样品的几何形状。在一般情况下，整个金属体内分成许多超导区和正常区。磁场增强时，正常区扩大，超导区缩小。当达到临界磁场时，整个金属都变成正常的了。 大多数纯金属超导体排除磁感线的性质有一个明显的分界。在低于临界温度的某一温度下，当所加磁场比临界磁场弱时，超导体禁止磁感线进入。一旦磁场比临界磁场强时，这种超导特性就消失了，磁感线可以进入金属体内。具有这种性质的超导体叫第一类超导体。还有一类磁导体的磁性质较为复杂，它们被称做第二类超导体。目前发现的这类超导体有铌、钒和一些合金材料。这类超导体在低于临界温度的一定温度下有两个临界磁场Bc1和Bc2。当磁场比第一临界磁场Bcl弱时，这类超导体处于纯粹的起导态，称迈斯纳态，这时它完全禁止磁感线进入。当磁场在Bc1和Bc2之间时，材料具有超导区和正常区相混杂的结构，叫做混合态，这时可以有部分磁感线进入。当磁场比第二临界磁场Bc2还要强时，材料完全转入正常态，磁感线可以自由进入。例如铌三锡（Nb3Sn）在4.2K的温度下，Bcl=0.019T，Bc2=22T，这个Bc2值是相当高的。这样高的Bc2值有很重要的实用价值，因为在任何金属都已丧失超导特性的强磁场中，这种材料还能保持超导电性。 第二类超导材料处于中等强度的磁场中时，它的混合态具有下述的结构：整个材料是超导的，但其中嵌有许多细的正常态的丝，这些丝都平行于外加磁场的方向，它们是外磁场的磁感线的通道（图5）。每根细丝都被电流围绕着，这些电流屏蔽了细丝中磁场对外面的超导区的作用。这种电流具有涡旋性质，所以这种正常态细丝叫做涡线。 实验证明，在每一条涡线中的磁通量都有一个确定的值F0，它和普朗克常数h以及电子电量e有一确定的关系。 图5 第二类超导体的混合态 这说明磁通量是量子化的，F0就表示磁通量子。在第二类超导体处于混合态，外磁场的增强只能增加涡线的数目，而不能增加每根涡线中的磁通。磁场越强，涡线越多、越密。磁场达到Bc2时，涡线将充满整个材料而使材料全部转变为正常态。这种涡线可以用铁粉显示出来。 5 BCS理论 超导电性是一种宏观量子现象，只有依据量子力学才能给予正确的微观解释。 按经典电子说，金属的电阻是由于形成金属晶格的离子对定向运动的电子碰撞的结果。金属的电阻率和温度有关，是因为晶格离子的无规则热运动随温度升高而加剧，因而使电子更容易受到碰撞。在点阵离子没有热振动（冷却到绝对零度）的完整晶体中，一个电子能在离子的行间作直线运动而不经受任何碰撞。 根据量子力学理论，电子具有波的性质，上述经典理论关于电子运动的图像不再正确。但结论是相同的，即在没有热振动的完整晶体点阵中，电子波能自由地不受任何散射（或偏析）地向各方向传播。这是因为任何一个晶格离子的影响都会被其它粒子抵消。然而，如果点阵离子排列的完整规律性有缺陷时，在晶体中的电子波就会被散射而使传播受到阻碍，这就使金属具有了电阻。晶格离子的热振动是要破坏晶格的完全规律性的，因此，热振动也就使金属具有了电阻。在低温时，晶格热振动减小，电阻率就下降；在绝对零度时，热振动消失，电阻率也消失（除去杂质和晶格错位引起的残余电阻以外）。 由此不难理解为什么在低温下电阻率要减小，但还不能说明为什么在绝对零度以上几度的温度下，有些金属的电阻会完全消失。成功地解释这种超导现象的理论是巴登（JBardeen，19081991年）、库珀（LNCooper，1930）和史雷夫（JRSchrieffer，1931）于1957年联合提出的（现在就叫BCS理论）。根据这一理论，产生超导现象的关键在于，在超导体中电子形成了电子对，叫“库珀对”。金属中的电子不是十分自由的，它们都通过点阵离子而发生相互作用。每个电子的负电荷都要吸引晶格离子的正电荷。因此，邻近的离子要向电子微微靠拢。这些稍微聚拢了的正电荷又反过来吸引其它电子，总效果是一个自由电子对另一个自由电子产生了小的吸引力。在室温下，这种吸引力是非常小的，不会引起任何效果。但当温度低到接近绝对温度几度，因而热骚动几乎完全消失时，这吸引力就大得足以使两个电子结合成对。 当超导金属处于静电平衡时（没有电流），每个“库珀对”由两个动量完全相反的电子所组成。很明显，这样的结构用经典的观点是无法解释的。因为按经典的观点，如果两个粒子有数值相等、方向相反的动量，它们将沿相反的方向彼此分离，它们之间的相互作用将不断减小，因而不能永远结合在一起。然而，根据量子力学的观点，这种结构是有可能的。这里，每个粒子都用波来描述。如果两列波沿相反的方向传播，它们能较长时间地连续交叠在一起，因而就能连续地相互作用。 在有电流的超导金属中，每一个电子对都有一总动量，这动量的方向与电流方向相反，因而能传送电荷。电子对通过晶格运动时不受阻力。这是因为当电子对中的一个电子受到晶格散射而改变其动量时，另一个电子也同时要受到晶格的散射而发生相反的动量改变，结果这电子对的总动量不变。所以晶格既不能减慢也不能加快电子对的运动，这在宏观上就表现为超导体对电流的电阻是零。 6 约瑟夫森效应 超导电性的量子特征明显地表现在约瑟夫森（BDJosePhson，1940）效应中。两块超导体中间夹一薄的绝缘层就形成一个约瑟夫森结。例如，先在玻璃衬板表面蒸发上一层超导膜（如铌膜），然后把它暴露在氧气中使此铌膜表面氧化，形成一个厚度约为13nm的绝缘氧化薄层。之后在这氧化层上再蒸发上一层超导膜（如铅膜），这样便做成了一个约瑟夫森结。 按经典理论，两种超导材料之间的绝缘层是禁止电子通过的。这是因为绝缘层内的电势比超导体中的电势低得多，对电子的运动形成了一个高的“势垒”。超导体中的电子的能量不足以使它爬过这势垒，所以宏观上不能有电流通过。但是，量子力学原理指出，即使对于相当高的势垒，能量较小的电子也能穿过，好像势垒下面有隧道似的。这种电子对通过超导的约瑟夫森结中势垒隧道而形成超导电流的现象叫超导隧道效应，也叫约瑟夫森效应。 约瑟夫森结两旁的电子波的相互作用产生了许多独特的干涉效应，其中之一是用直流产生交流。当在结的两侧加上一个恒定直流电压U时，发现在结中会产生一个交变电流，而且辐射出电磁波。 7 高温超导 从超导现象发现之后，科学家一直寻求在较高温度下具有超导电性的材料，然而到1985年所能达到的最高超导临界温度也不过23K，所用材料是Nb3Ge。1986年4月美国IBM公司的缪勒（KAMuller，1927）和柏诺兹（JGBednorz，1950）博士宣布钡镧铜氧化物在35K时出现超导现象。1987年超导材料的研究出现了划时代的进展。先是年初华裔美籍科学家朱经武、吴茂昆宣布制成了转变温度为98K的钇钡铜氧超导材料。其后在1987年2月24日中科院的新闻发布会上宣布，物理所赵忠贤、陈立泉等十三位科技人员制成了主要成分为钡钇铜氧四种元素的钡基氧化物超导材料，其零电阻的温度为78.5K。几乎同一时期，日、苏等科学家也获得了类似的成功。这样，科学家们就获得了液氮温区的超导体，从而把人们认为到2000年才能实现的目标大大提前了。这一突破性的成果可能带来许多学科领域的革命，它将对电子工业和仪器设备发生重大影响，并为实现电能超导输送、数字电子学革命、大功率电磁铁和新一代粒子加速器的制造等提供实际的可能。目前，中、美、日、俄等国家都正在大力开发高温超导体的研究工作。 经过70多年的发展，超导材料达到的最高临界温度只有23.2K，没有脱开液氦温度，而液氦价格昂贵，冷却效率低，很难广泛使用，目前超导体只在一些尖端的设备(如粒子加速器)上得到应用。 要让超导体得到应用就首先要有容易使用的超导体。人们现在正不断地寻找新的超导体，其主要方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料，即高温超导体(这里的高温是相对而言的)。20世纪80年代末，世界上掀起了寻找高温超导体的热潮，1986年出现氧化物超导体，其临界温度超过了125K，在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。此后，科学家们不懈努力，在高压状态下把临界温度提高到了164K(-109)。1998年中国科学家研制成功了第一根铋系高温超导输电电缆。这一成功极大地推进了中国高温超导技术的实用化进程。 目前，中国在高温超导材料研制方面仍处于世界领先地位。具体的成果有：钇钡铜氧材料临界电流密度可达6000A/cm2，同样材料的薄膜临界电流密度可达106A/cm2。利用自制超导材料已可测到2?108G的极弱磁场（这相当于人体内如肌肉电流的磁场），新研制的铋铅锑锶钙铜氧超导体的临界温度已达132K到164K，这些材料的超导机制已不能用BCS理论解释，中国科学家在超导理论方面也正做着有开创性的工作。 二、 超导在技术中的应用 超导体具有许多特殊的性质，当然最主要的是零电阻。人们做过实验,让电流在超导体制成的圆环中流动，电流可以流动一年而没有损失。人们通过对超导理论的研究，得到了对超导现象的深入认识。人们发现在超导体中，一些电子形成了特殊的电子对，因而使物体显示出超导性。 超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗，用高温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的1200倍；利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造粒子加速器等，如用于磁悬浮列车，列车时速可达500千米；利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。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。 高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。 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。在电力领域，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510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率随之提高了50%。 流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。 超导材料还可以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。 核聚变反应时，内部温度高达1亿2亿，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。 超导技术还有两个重要的用途：超导磁悬浮列车和超导计算机。利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。 另外，高温超导体还可以在交通运输和国防技术上有用武之地，除了我们比较熟悉的超导磁悬浮列车，还有超导船、超导陀螺仪，以及超导磁屏蔽系统等等。但是，很多有识之士对此提出了疑问，因为虽然高温超导的研究进展十分迅速，但仍没有在提高临界电流和线材方面取得实质性的突破。随着研究的深入，越来越多的人认识到，大规模应用超导体并形成一定的产业是一场艰巨的任务，可能还需要很长的时间。要完成科学到产品的转化是一场旷日迟久的艰难历程，绝不是一蹴而就的。 高温超导体的实用化也许正处于当年半导体实用化前的相似阶段。目前，各国都在进行超导磁体和超导电子学两方面的研究，人们估计这两相方面将是高温超导体实用化的突破口，一旦出现突破，它将迅速渗透到能源、材料、激光、高能物理工程、空间技术、交通运输、计量技术、电子技术、医疗工程和地质科学等各个领域，我们将生活在真正的超导世界里。而如何使其得到更好的发展，则向我们提出了更大的挑战。做为在校大学生，关注科技前沿，关注科技热点已成为社会对我们的必然要求。 超导在技术中最主要的应用是做成电磁铁的超导线圈以产生强磁场。这项技术是近30年来发展起来的新兴技术之一，在高能加速器、受控热核反应实验中已有很多的应用，在电力工业、现代医学等方面已显示出良好的前景。 传统的电磁铁是由铜线绕组和铁心构成的。尽管在理论上可通过增加电流来获得很强的磁场，但实际上由于银线有电阻，电流增大时，发热量要按平方的倍数增加，因此，要维持一定的电流，就需要很大的功率，而且除了开始时产生磁场所需要的能量之外，供给电磁铁的能量都以热的形式损耗了。为此，还需要用大量的循环油或水进行冷却，这也需要额外的功率来维持。因此，传统的电磁铁是技术中效率最低的设备之一，而且形体笨重。与此相反，如果用超导线做电磁铁，则维持线圈中的产生强磁场的大电流并不需要输入任何功率。同时由于超导线（如Nb3Sn芯线）的容许电流密度（109A/m，为临界磁场所限）比铜线的容许电流密度（102A/m，为发热熔化所限）大得多，因而导线可以细得多；再加上不需庞大的冷却设备，所以超导电磁铁可以做得很轻便。例如，一个产生5T的中型传统电磁铁重量可达20吨，而产生相同磁场的超导电磁铁不过几公斤！ 当然，超导电磁铁的运行还是需要能量的。首先是最开始时产生磁场需要能量；其次，在正常运转时需保持材料温度在绝对温度几度，需要有用液氦的致冷系统，这也需要能量。尽管如此，还是比维持一个传统电磁铁需要的能量少。例如在美国阿贡实验室中的气泡室（探测微观粒子用的一种装置，作用如同云室）用的超导电磁铁，线圈直径4.8m，产生1.8T的磁场。在电流产生之后，维持此电磁铁运行只需要190kW的功率来维持液氮致冷机运行，而同样规模的传统电磁铁的运行需要的功率则是10000kW。这两种电磁铁的造价差不多，但超导电磁铁的年运行费用仅为传统电磁铁的10%。 美国的费米实验室的高能加速器中的超导电磁铁长7m，磁场可达4.5T。整个加速器环的周长为6.2km，它由774块超导电磁铁组成，另外有240块磁体用来聚焦高能粒子束。超导电磁铁环安放在常规磁体环的下面，粒子首先在常规磁体环中加速，然后再送到超导电磁铁环中加速，最后能量可达到105MeV。 超导电磁铁还用作核磁共振波谱仪的关键部件，医学上利用核磁共振成像技术可早期诊断癌症。由于它的成像是三维立体像，这是其它成像方法（如X光、超声波成像）所无法比拟的。它能准确检查发病部位，而且无辐射伤害，诊断面广，使用方便。 超导材料（如NbTi合金或Nb3Sn）都很脆，因此做电缆时通常都把它们做成很多细丝而嵌在铜线内，并且把这种导线和铜线绕在一起。这样不仅增加了电缆的强度，而且增大了超导体的表面积。这后一点也是重要的，因为在超导体中，电流都是沿表面流通的，表面积的增大可允许通过更大的电流。另外，在超导情况下，相对于超导材料，铜是绝缘体，但一旦由于致冷出事故或磁场过强而使超导性破坏时，电流仍能通过铜导线流通。这样就可避免强电流（105A或更大）突然被大电阻阻断时，大量电能突然转变为大量的热而发生的危险。 在电力工业中，超导电机是目前最令人感兴趣的应用之一。传统电机的效率已经是很高的了，例如可高达99，而利用超导线圈，效率可望进一步提高。但更重要的是，超导电机可以具有更大的极限功率，而且重量轻、体积小。超导发电机在大功率核能发电站中可望得到应用。 超导材料还可能作为远距离传送电能的传输线。由于其电阻为零，当然大大减小了线路上能量的损耗（传统高压输电损耗可达10）。更重要的是，由于重量轻、体积小，输送大功率的超导传输线可铺设在地下管道中，从而省去了许多传统输电线的架设铁塔。另外，传统输电需要高压，因而有升压、降压设备。用超导线就不需要高压，还可不用交流电而用直流电。用直流电的超导输电线比用交流的要便宜些，因为直流输电线可以用第二类超导材料，它的容许电流密度大而且设计简单。 利用超导线中的持续电流可以借磁场的形式储存电能，以调节城市每日用电的高峰与低潮。把各种储能方式的能量密度加以比较可知磁场储能最集中。例如。储存10000kWh的电能所需要的磁场（10T）的体积约为104m3，一个截面积是5m2而直径是100m的螺绕环就大致够了。 最后提一下超导磁悬浮的应用。设想在列车下部装上超导线圈，当它通有电流而列车启动后，就可以悬浮在铁轨上。这样就大大减小了列车与铁轨之间的摩擦，从而可以提高列车的速度。有的工程师估计，在车速超过200km/h时，超导磁悬浮的列车比利用轮子的列车更安全。目前在德日等国都已有超导磁悬浮列车在做实验短途运行，速度已达300km/h。 三、超导技术在军事领域的应用 近几年来，国内外在超导技术方面取得了很大进展，在军事领域得到广泛应用。 1 超导技术在舰艇方面的应用 核心技术是磁流体推进技术，其基本原理简单地说就是利用电磁线圈作用于海水形成喷射推进。当海水流过推进器时，被正负电极所电离。而强有力的磁场对带电荷的海水产生洛伦兹力，使海水加速从导管尾部喷出，其反作用力就推动了舰艇前进。从理论上讲，磁流体推进装置可以做到寂静无声，这对致力于提高隐身性能的潜艇来说，无疑具有极大的吸引力。根据产生磁场的不同方式，可以把磁流体推进装置分为交流磁场方式和直流磁场方式，直流磁场方式由于推进效率高，受到人们的青睐。根据磁场范围的不同又可分为在船外形成磁场的外部磁场方式和在船内管道中形成磁场的内部磁场方式。 20世纪70年代以来，美、英、日等国积极开展超导技术在海军舰艇方面应用的研究，并已初见成效。美国试制了5.5兆瓦的超导驱动系统，英国研制了480千瓦的超导电磁力推进装置，日本已制成了超导船。现在国际上已有3艘超导电磁推进船试验成功。超导电磁力推进装置是按照电磁原理设计的。在舰艇上安装电磁铁，在磁场和电流的相互作用下，海水向后运动。在海水的反作用力下，舰艇将获得向前的推力。超导舰艇既不需要发动机，也不需螺旋桨，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而大大提高生存能力和快速机动的突防能力。 美国是最早开展电磁推进研究的国家，早在1961年，美国的赖斯就获得了电磁推进的专利。1968年，美国加州大学的斯图尔特韦意博士制成了双圆筒形的常规磁流体动力装置，还研制了世界上第一艘模型试验船FMS-1，并在圣芭芭拉城的试验水池中成功地进行了航行试验。试验结果表明：使用普通线圈产生磁场的磁通量太小，要形成足够的推力，线圈或磁铁的重量就很大。因此电磁推进的关键在于产生高磁场密度，而这种高磁场密度是无法从普通线圈获得的。此后在缩小磁流体动力系统体积，提高功率以达到实用化方面的研究一直进展缓慢。直到70年代，由于超导研究取得很大的进展，较高温超导材料的出现才给磁流体动力推进带来了光明的前景。使用超导线圈作为磁流体动力推进装置的电磁线圈时，只要保持超导状态，线圈充电后，电流就在线圈中无损耗地循环流动，转化效率高，能够形成几乎是恒定的强磁场。超导磁流体推进系统是一项极具研究价值而又高风险的高科技项目。目前，从事这方面研究的只有少数先进国家，居领先地位的是日本。70年代超导技术的研究刚刚开始走上实用化的道路，日本神户商船大学和日本川崎重工技术研究室就于1976年建造了电磁推进船模SEMD1，船模上装有小型超导线圈。船模试验证明了超导强磁场在电磁推进中的有效性。1979年日本又建造了试验性超导电磁推进船模ST-500，通过船模试验积累了大量的试验数据。1985年6月，日本造船振兴财团成立了“超导电磁推进船开发研究委员会”，由日本造船工业基金会资助4000万美元，着手建造世界上第一艘超导试验船“大和1号”。1990年该船下水并进行了海试，其磁通量为4斯特拉，航速为8节。由于“大和1号”的推进效率和速度等方面还不尽如人意，日本造船振兴财团已着手研制“大和2号”，目标是20节航速，推进效率比“大和1号”提高5%10%，使用液氮温度下工作的高温超导磁体。另外在1990年，日本运输相田耕平原宣布政府拨款430万美元开发一种用于集装箱船的超导磁流体动力装置。日本的神户商船大学还和芬兰的维西亚公司合作，以德国排水量为1070吨的“波利亚捷”号科学研究破冰船为蓝本，研究ST-400B大型电磁推进破冰船。美国直到90年代才开始加强超导磁流体推进的研究工作。目前由国防高级研究计划局出资，阿尔贡国家实验室和阿维科研究室正在研究一个复合式磁流体推进装置，目的是在一个遥控潜水器上进行磁流体推进验证，研究在海上真实环境中磁流体推进装置的声学、磁场特征和产生氢气的气泡现象。除此，阿尔贡国家实验室还在对一个磁感应强度为6特斯拉的超导线圈进行改造，该线圈原用于研究新能源，重达172吨。俄罗斯在开发超导磁流体推进装置方面也已经工作多年。国外有很多资料认为俄罗斯已经拥有了这项尖端技术。 初步研究表明，与目前的柴电潜艇和核潜艇上的动力推进装置相比，使用超导磁流体推进装置优点十分明显，主要有以下几点：(1)可极大地提高潜艇的安静性。这是研制超导磁流体推进装置的最主要的原因。潜艇上的噪声来源主要有机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。由于取消了螺旋桨，则螺旋桨噪声不复存在，没有了推进轴和减速齿轮，机械噪声得到极大的降低，这使潜艇的安静性将出现革命性的突破。降低噪声，提高安静性不仅能显著降低敌被动声纳的作用，而且可极大提高己方声纳的探测距离，增强舰艇的战斗力。取消螺旋桨不仅消除了螺旋桨噪声，还改善了潜艇的尾流，能降低敌尾流制导武器的作用距离。由于不需要在耐压壳体上开孔安装螺旋桨轴，因此提高了耐压壳体的稳定性，增加了潜艇的安全性。(2)潜艇的布置有较大的灵活性。由于不再需要螺旋桨、桨轴与动力源、减速齿轮之间的刚性连接，推进系统的部件可以放在任意方便的位置，可以腾出更多宝贵空间来提高有效载荷，或在相同的有效载荷下，缩小潜艇的体积，对于潜艇来说，这也是极受欢迎。(3)可以提高机动性和生存能力。改变电极电源的极性，使水流方向改变，就可以获得相反的推力，无需克服推进器的惯性，就可使潜艇倒退航行。没有螺旋桨的阻力，电磁力直接转化为推进力，推进效率可达90%。由于采用分割式环形结构，当某一部分受损，仍可使潜艇继续航行。紧急情况下，可利用贮存在磁铁系统中的能量作应急推进动力源，使潜艇获得58节的航速。 但目前，磁流体推进系统还存在很多关键的技术问题：(1)电极会使水电解产生氢气泡，虽然很快就溶解，但会产生轻微的气泡航迹，气泡的破裂也是一种噪声源。美国阿维科实验室正在研究不产生气体的电极、搜集气泡、研究采用原理上不引起海水电解的交流磁场推进方式等解决办法。(2)根据要求，潜艇推进系统必须操作可靠，使用寿命长，在两个大修期间无需大的修理，连续工作寿命应大于5年。但磁流体推进系统的电极，持续暴露于海水中，腐蚀问题特别突出。(3)磁流体推进系统工作需要强磁场，这个磁场应当屏蔽起来，防止敌方反潜巡逻机磁探仪的探测。但屏蔽会大大增加推进系统的重量。日本正研究采用超导电膜覆盖超导线圈，利用超导体不通过任何磁场的性质即反磁性来屏蔽。(4)超导磁铁的体积很大，约占整个系统的80%，要求必须坚固可靠，适合潜艇作战环境，线圈、低温系统、连结管道必须有很强的战斗生命力，这在工程设计和建造上有很多复杂的技术问题。超导线圈的固定也是个问题。线圈由超导材料制成，在温度降低时要求每个部件均匀同步地收缩。形成超导电磁场后，应绝对避免线圈的移动。线圈的移动会产生热量，导致温度上升，破坏超导，积累在线圈中的热量会释放出来，发生爆炸。(5)系统效率有待提高。由于海水加热、电解等引起的能量损耗还很高，使得目前磁流体推进系统的总效率只有5左右。提高系统效率的方法之一是提高磁铁的磁通量。“大和1号”的磁通量为4斯特拉，航速8节，工作效率低于4。据计算，如磁通量增加到8斯特拉，系统的效率可提高到30，航速提高到16节。另一途径是研究可注入水中提高电离度的化学物质，水的电离度越深，喷出的水流越强，推力也越大。超导磁流体推进系统将使潜艇完全摆脱传统的螺旋桨推进，从根本上改变潜艇推进的概念。它将带来潜艇的一次新的革命，为21世纪潜艇的隐身性作出重大贡献。虽然目前超导磁流体推进技术只是刚刚起步，要真正应用于潜艇还有很长的路要走，但随着高温超导技术和新材料技术的不断发展，它将不断地得到成熟与完善。 1990年，日本三菱重工建造的一艘30米长，排水量仅有150吨的小船在神户船厂举行了隆重的下水仪式。这艘名为“大和1号”的小船是世界上第一艘利用超导磁流体动力推进装置的水面试验船。它的设计、建造和试验情况一直受到各国海军、船舶科研人员和船舶工业界的密切关注。原因是这种动力装置一旦用于潜艇，将会对未来潜艇的设计和作战产生极其巨大的影响。 2 超导技术在