第四讲-超导体和等离子体讲解.ppt

第四讲超导体和等离子体 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 荷兰物理学家昂尼斯 H K Onnes 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 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 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 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 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 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 获得了1913年的诺贝尔物理学奖 电磁感应效应 20世纪80年代起掀起高温超导研究 1981年合成了有机超导体 1986年苏黎世实验室的缪勒和柏诺兹发现了陶瓷性金属氧化物LaBaCuO4 TC约为35K 238 陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质 获得了1987年的诺贝尔物理学奖 高温超导体 临界温度在液氮温度77K 196 以上 超导新材料的发现 1987年 美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为90K 183 的超导材料YBCO 1988年初日本宣布制成临界温度达110K的Bi Sr 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 如果将汞置于高压条件下 其临界温度将能达到难以置信的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 2 迈斯纳 Meissner 效应 超导体具有将磁场完全排斥在外的完全抗磁性 迈斯纳 Meissner 效应可用磁悬浮实验演示 同理一个超导球用一通有持续电流的超导环使它悬浮 根据这个原理制成的超导重力仪 可以精确测量地球重力的变化 3 磁通量子化和约瑟夫森 Josephson 效应 超导体两种独特的宏观量子效应 类磁通 穿过中空超导体内空腔以及超导体内表面穿透区域的总磁通量 磁通量子化 理论和实验表明超导体的类磁通是守恒的 并其值是量子化的 最小的类磁通单位称为磁通量子 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 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 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 二 超导技术的应用 大电流应用 强电应用 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 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置不可缺少的关键部件 在一定条件下 一个氘核 由一个质子一个中子组成 和一个氚核 由一个质子和二个中子组成 会发生聚变核反应 生成一个氦核 二个质子和二个中子组成 并放出一个中子 精密的测量表明 氦核加上一个中子的质量之和小于一个氘核与氚核反应前的质量之和 发生了明显的质且亏损 根据著名的爱因斯坦质能公式E mc2 反应过程中出现的质量亏损转化为巨大的能量释放出来 核聚变 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 常规托卡马克装置不可能长时间运转 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置中 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置在运行 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置 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置 目标是实现托卡马克更长时间的稳态运行 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10 11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 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 超导和磁悬浮列车 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 磁悬浮列车主要有两种 悬浮 形式 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 常导电磁悬浮 德国研发并拥有核心技术 超导电动磁悬浮 日本研发并拥有核心技术 推斥式吸力式 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 吸力式是利用两个磁铁异性相吸的原理 将电磁铁置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 MagneticallyLevitatedTrains 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 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 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 液态 气态 等离子态 具有气态的基本特征 凝聚态 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 100nm 足球烯 碳纳米管 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 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 在等离子中置一带电体 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 等离子体被压缩 体内磁感应线会跟着一起变形 3 箍缩效应 等离子体受到自身电流的磁场收缩 3 等离子体的研究方法 由于等离子体种类繁多 现象复杂 应用广泛 等离子体物理学正从实验研究 理论研究 数值计算三个方面 互相结合地向深度和广度发展 在受控热核聚变中 研究的目的是利用处于等离子体状态的轻核 实现聚变反应 以获取大量的能量 原子弹和氢弹的巨大威力令人惧怕 同时也让人们兴奋 因为原子中蕴藏的能量太大了 能否利用这种能源是人们自然想到的问题 原子弹和氢弹中的巨大能量是在瞬间释放出来的 而要作为常规能源使用 就必须实现可控制的核裂变和核聚变 对于核裂变来说 控制起来相对比较容易 裂变核电站早已经实现商业运行 但能用来产生核裂变的铀235等重金属元素在地球上含量稀少 而且常规裂变反应堆会产生长寿命的放射性较强的核废料 这些因素限制了裂变能的发展 再造一个太阳 最具诱惑力的是核聚变 它的单位质量产生的能量比核裂变还要大几倍 实际上 宇宙中最常见的就是氢元素的聚变反应 所有的恒星几乎都在燃烧着氢 因为氢是宇宙中最丰富的元素 氢的聚变反映在太阳上 还有少量其他核聚变 已经持续了近50亿年 至少还可以再燃烧50亿年 氢在地球上也是非常丰富的 每个水分子中都有2个氢原子 但最容易实现的聚变反应是氢的同位素 氘与氚的聚变 氢弹就是这种形式的聚变 氘和氚发生聚变后 2个原子核结合成1个氦原子核 并放出1个中子和17 6兆电子伏特能量 氘 它是海水中重水 水分子为H2O 重水为D2O 只占海水中的一小部分 的组成元素 海水中大约每6500个氢原子中有1个氘原子 每升水约含30毫克氘 产生的聚变能量相当于300升汽油 其储量就多达40万亿吨 一座1000兆瓦的核聚变电站 每年耗氘量只需304公斤 海水中的氘足够人类使用上百亿年 这就比太阳的寿命还要长了 更不要说再使用氢了 另外 除氚具有放射性危险之外 氘 氚聚变反应不产生长寿命的强放射性核废料 其少量放射性废料也很快失去放射性 氘 氘反应没有任何放射性 可以说氢及其同位素的聚变反应是一种高效清洁的能源 而且真正是用之不绝 既然恒星上都在进行着这样的核聚变 地球上也不缺这种核聚变的原料 只要实现可控的核聚变 就可以造出一个供人们永久使用的 太阳 实际上 自从人们揭开太阳燃烧的秘密以来 就一直希望模仿太阳在地球上实现核聚变从而为人类提供无尽的能源 尽管50多年过去了 人们只见到了氢弹的爆炸 而没有看到一座核聚变发电站的出现 但它诱人的前景依然是人们心中一个割舍不去的梦 等离子隐形技术人们发现了等离子体对于电磁波的传播的特点 对于某种等离子体 当入射电磁波频率大于某个临界数值的时候 它可以进入等离子体传播 但是在传播过程中其能量将被等离子体吸收而不断衰减 而当入射电磁波频率小于这个数值时 电磁波通常将无法进入等离子层 在其表面即发生全反射 同时等离子体以电磁波反射体的形式对电磁波产生干扰作用 即使电磁波往返途径弯曲 这个临界数值的频率就叫作等离子体的截止频率 等离子体的这种独特的电磁学特性为其应用于雷达隐形展示了奇妙的前景 以等离子体层包覆飞行器 当敌方雷达频率高于截止频率时 雷达波进出等离子体层后能量将严重衰减 使飞行器自身雷达反射信号大大减弱 而当敌方雷达频率低于截止频率时 等离子体层将使雷达波传播途径发生弯曲 这将使雷达接收不到反射波 即使接收到了 雷达得到的也将是飞行器的虚像位置而不是实际位置 也不能得到目标真实的速度和尺寸信息 这时敌方如果依据所接收到的信息指挥进行空中拦截 很可能找不到目标 这就是飞行器等离子隐形技术的基本原理 与传统的外形设计加吸波涂料的飞行器隐形设计方法相比较 等离子隐形的突出优越性在于它几乎不需要飞行器作任何结构和性能上的改变 也就是说 在现代飞行器的设计中可以不再将隐形作为重要的考虑因素 对于战斗机而言 就可以将其隐形 速度和机动三方面的设计考虑简化为速度和机动 此外 等离子体隐形还有吸收频带宽 吸收效果好 使用简便 维护费用低等优点 而且该技术还能用来实现红外隐形 等离子体物理学的理论研究包括粒子轨道理论 磁流体力学和等离子体动力论3个方面 前两者是近似方法 后者是严格的统计方法 对于天体 空间和地球上的各种天然等离子体 主要通过包括高空飞行器和人人造卫星在内的各种观测手段 接收它们发射的各种辐射和粒子进行研究 根据大量观测结果 结合天体物理 空间物理和等离子体物理的理论研究 进行分析综合 逐步深入地了解天然等离子体的现象 性质 结构 运动以及演化规律 4 等离子体显示和液晶显示 1925年约翰 洛吉 贝尔得开始研制了电视 1939年世界第一部电视机问世 1964年Philips发表单色DC型显示器 1972年日本开始着手研究Plasma显示器 1989年富士通推出第一部大量生产的20寸等离子屏 1996年富士通推出世界第一部家用42寸等离子屏 1999年Pioneer发表特性蜂巢结构沟槽板面 1999年FHP发表ALIS板面松下电器完成对比度3000 1 等离子显示屏是由前后两片玻璃面板组成 前面板是由玻璃基层 透明电极 辅助电极 诱电体层和氧化镁保护层构成 并且在电极上覆盖透明介电层 DielectricLayer 及防止离子撞击介电层的MgO层 后板玻璃上有Data电极 介电层及长条状的隔壁 BarrierRib 并且在中间隔壁内侧依序涂布红色 绿色 蓝色的荧光体 在组合之后分别注入氮 氖等体即构成等离子面板 等离子面板 PlasmaDisplay的发光原理 放电现象 便是要将交流电导引入显示屏之中 面板的基本技术 是以两片玻璃基板和间隔壁之间形成多个密封空间 让离子及电子产生活跃的运动 并在这些密封的空间内注入稀有气体及氖 另外 在这个密封空间的上下装置上电极 正负电极 令粒子与气体以高速相撞 以产生高能量的状态 当这些粒子平静下来 能量便会慢慢消散 从而放射出紫外线 放电现象便是这样形成 而紫外线可刺激红 绿 蓝萤光体发光 每个细胞体均可独立产生放电现象 随着视讯讯源而控制每个细胞的开关 色调 要令等离子显示屏的色彩夺目 必须独立操控每个三原色细胞体 以往显像管是由左至右 由上而下 经过电子束的扫描而回放影像 但等离子则采用一个完全不同的方法 由于显示屏是同时全面发光 因此便以1秒60次 由上至下将画面交替显示但在这期间 之前的资料还保留在画面上 所以画面是处于不断发光的状态 颜色 在影像的颜色方面 它不像显像管那样可以经由对电子束量的控制进行调整 因为紫外线和可视光都已经是处于饱和状态 所以使用通过电流的控制来操控亮度是不可能的 即使是电流改变 画面的明暗也不会改变 所以 等离子便要利用PCM PulseCodeModulation 即脉冲编码调节技术来控制每一个区域内的脉冲 便可以改变画面的亮度 首先 影像要由每秒60格 frame 构成 其次 便是将每1格分割成8个次区域 再遵照设定适当的脉冲规律 决定各个次区域的相对亮度 因应影像的资料令各区域的小萤光灯发亮及熄灭 最后 便是把这些次区域组合起来便可以显示256种色调 将色彩的总数结合 便是256 256x256 16 777 216种色彩 PlasmaDisplay的优点与缺点 如果购买一款平板电视 太多的朋友不知道到底要买等离子呢 还是买液晶呢 1 是大而薄的画面 以往显像管电视的体积会随着画面尺寸的扩大而增加 感觉是既笨又钝 根本不可能有挂墙的设计 这是因为电子射腺偏向而不得不在电子枪和荧屏间留有一定的距离 然而等离子显示屏在加大画面的情况下 机身的发展却越来越薄 由最初的6寸的厚度 缩减至现时只有3至4时厚 到了现时 等离子显示屏已基本上是无可再薄 厚度已达至极限 PlasmaDisplay的优点 2 画面的聚焦感强 没有色差 以及低失真 与显像管电视不同 显像管是由电子束来扫描出整个画面 所以中央部份画质通常会较好 但周边的位置便容易产生误差 会有偏向 聚焦错误 画面失真等现象 而等离子的技术便不会出现这些误差 而在自然图像及文字的显示上的效果更好 原因是等离子萤光体的发光方式 除了能达到显像管的画质外 聚焦能力更为理想 这就要归功于等离子以整个画面发光的技术 3 等离子出容易造出大尺寸的画面 因为等离子可以将网线版的印刷技术应用在等离子的面板上 印刷机的尺寸有多大 等离子的尺寸便可有多大 相对 显像管却差得多了 36寸几乎是它的极限 液晶电视拥有16 7百万的色彩 画面层次分明 颜色绚丽真实 分辨率大 清晰度高 液晶面板没有幅射 只有来自驱动电路的少量电磁波 只要将外壳严格密封即可排除电磁波外泄 所以液晶面板有称为冷显示器或环保显示器 液晶电视不存在屏幕闪烁现象 耗电量低 使用寿命长 液晶电视的使用寿命一般为6 7万个小时 比等离子电视的寿命长20 左右 液晶电视的高亮度 绚丽画面可以说是一把双刃剑 是其优点同样也是其缺点的根源 液晶电视的画面之所以亮丽 是因为面板后面的灯管亮度调节的高 但是灯管由于长期使用会老化 所以液晶电视的图像会有越来越暗淡的趋势 当灯管亮度不够的时候 画面的绚丽色彩就再也不见了 缺点 最大问题 液晶显示面板上的坏点是无法