超导技术应用.doc

超导技术应用姓名：杨园园 学号：2012302180333 学院：基础医学院1、 简答题1. 超导态的两个互相独立的基本属性是什么？请分别介绍能实现超导上述两种基本属性的实验方案。 答：（1）零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的两个基本属性；（2）超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应，例如，用液氨冷却水银并通以几毫安的电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氨的沸点时，水银的电阻突然跌落到零，这就是零电阻效应；锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，这种现象称之为“迈斯纳效应”。2. 什么是超导体的临界温度、临界磁场和临界电流？答：（1）超导体的临界温度：这是超导体从正常态转变为超导态（0电阻）时的温度。实际上也就是把Cooper电子对解体开来的温度。对于转变温度范围较宽的超导体（如高温超导体），临界温度可分为起始转变温度、中转变温度和0电阻温度。（2）超导体的临界磁场：当超导体表面的磁场强度达到某个磁场强度Hc时，超导态即转变为正常态；若磁场降低到Hc一下时又进入超导态，此Hc即称为临界磁场强度。Hc与物质和温度有关，一般有：Hc（0）1-(T/Tc)2，期中Hc（0）是温度为0k时的临界磁场强度（约为5000A/m），Tc是超导体的临界温度。（3）超导临界电流：当超导体中的电流超过某临界电流值Jc时，即转变为正常态：这是由于通过的电流在超导体表面将产生磁场，当电流较大，使得表面磁场超过超导临界磁场时，超导体即转变为正常导体。此Jc即称为超导体的临界电流，它是破坏超导态的最小电流。若同时还有外磁场时，则临界电流将降低：而且临界电流的大小与物质种类和温度有关。 3.简述迈斯纳效应的意义？为什么超导体的迈斯纳效应和零电阻特性不能相互给予解释？ 答：（1）迈斯纳效应的意义：当一个磁场和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反，他们相互抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，即超导体排斥体内的磁场。迈斯纳效应指明了超导态是一个动态平衡状态，与如何进入超导态的途径无关。衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应。 （2）在恒定情形下,Js(超导电流)与时间无关，由伦敦第一方程可知 E = 0，由经典的欧姆定律,Jn = 0，即此时超导体内的电流全部来自超导电子，没有电阻效应，这也就是零电阻效应；再由麦克斯韦方程只能得到B是一个与时间无关的函数，不能得到B随着进入超导体内深度的增加而衰减的结论,即超导体的迈斯纳效应和零电阻特性不能相互给予解释。4.目前为止，有几类超导体？它们的区别主要体现在哪些方面？答：超导体按其此话特性可分为两类。第一类超导体只有一个临界磁场HC。在超导态，具有迈斯纳效应。第二类超导体有两个临界磁场，即下临界磁场HC1和上临界磁场HC2.当外磁场H0小于HC1时，同第一类超导体一样，磁场被完全排出体外，此时，第二类超导体处于迈斯纳状态，体内没有磁感应线通过。当外场增加至HC1和HC2之间时，第二类超导体处于混合态，也称涡旋态。这是体内将有部分磁感应线穿过，体内既有超导态部分，又有正常态部分，磁场只是部分地被排出。5.请简要概述BCS理论，BCS理论是解释哪类超导体微观机制的理论?除此之外，你还知道哪些超导微观机制理论？ 答：BCS理论是以近自由电子模型为基础,是在电子声子作用很弱的前提下建立起来的理论。BCS 理论是解释常规超导体的超导电性的微观理论。BCS理论把超导现象看成一种宏观量子效应。它提出，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。还知道同位素效应，超导能隙，库伯电子对等微观机制理论。6. 通常把临界温度在什么范围以上的超导体称为高温超导体?高温超导超导体有哪些特性？答：高温超导体通常是指在液氮温度（77k）以上的超导的材料。高温超导体并不是大多数人认为的几百几千的高温，只是相对原来超导所需的超低温高许多的温度，不过也有零下几百多摄氏度。而在人类所研究的超导中温度算提高非常多，所以称之为高温超导体。高温超导体是其能在物理实验室下进行超导实验，具有零电阻，反磁性，和量子隧道效应。7. 超导材料和超导技术有哪些应用？超导磁体比常规磁体有什么优越性? 答：（1）利用超导电性可制作磁体，应用于点击、高能粒子加速器、磁悬浮运输等；（2）利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。（3）利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。与传统电磁铁的磁体相比，超导磁体具有功耗极小。体积小和稳定性高等优点。超导磁体的磁场很强，成本和运转费用低，一个直径为3.5米，磁感应强度为2特的超导磁体和常规铜线绕城的磁体相比，超导体的建造和运转总费用比常规导体要便宜。二、目前常用的超导磁储能装置有哪些类型？请简述超导磁储能装置储能和释能的基本工作原理，并谈谈其在电力系统领域的主要应用。答：超导储能（superconducting magnetic energy storage 简称SMES）是利用超导线圈通过整流逆变器将电网过剩的能量以电磁能形式储存起来，在需要时在通过整流逆变器将能量馈送给电网或作其他用途。由于超导线圈在超导状态下无焦耳热损耗运行，同时其电流密度比一般常规线圈高1-2个数量级。因此它不仅能长时间无损耗地储存能量，而且能达到很高的储能密度。它的储能效率高，响应速度快也是其它类型储能装置无法比拟的。储能技术主要包括抽水储能、先进蓄电池储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容器储能、压缩空气储能等。抽水储能储存能量非常大，适合于电力系统调峰和用作备用电源的长时间场合。近年来，各种新型蓄电池被开发成功并在电力系统中得到应用。NaS电池具有较高的储能效率，还具有输出脉冲功率的能力，同时可以用于电能质量调节和负荷的削峰填谷调节。飞轮与电动机或发电机相连，通过某种电力电子装置，进行飞轮转速与电网的功率交换。飞轮储能的优点是基本不需要进行维护，设备寿命长（可完成数万次充放能量过程），对环境没有不良的影响。飞轮具有循环使用以及负荷跟踪性能，它可以用在那时间和容量方面介于短时储能和长时间储能之间的应用场合。SMES在电力系统中的应用包括：动态稳定、电压稳定、负荷均衡、频率调整、暂态稳定、输电能力提高以及电能质量改善等方面。如果将SMES线圈与现有的柔性交流输电装置相结合，可有效降低变流单元的费用，这部分费用在整个SMES成本中占最大份额，对输配电应用而言，微型和中型SMES系统可能更为经济。使用高温超导体能有效降低储能系统对低温和制冷的要求，使SMES得成本进一步降低。目前，国内外有许多SMES工程正在进行或者处于研制阶段。超级电容大多用在高峰值功率。低容量的场合。因能在充满电的浮充状态下正常工作10a以上，超级电容器可以在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。超级电容器体积小，安装简单，可在各种环境下（热、冷和潮湿）运行。三、请简述常导和低温超导磁悬浮列车的悬浮工作原理。为什么低温超导磁悬浮列车需要设置用于启动和停止的车轮？答：（1）常导型磁悬浮列车说采用的电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互吸引产生悬浮。由电子控制的支承磁铁安装在列车两侧底部，将列车从下往上吸向轨道底部的定子。导向磁铁位于列车两侧，是列车与轨道之间保持一定的侧向距离。电子技术课保证列车上磁铁与轨道始终保持一定间距（10mm）稳定不变。列车悬浮所需要的电能要低于其安装的空调设备。悬浮系统可由车载蓄电池供电，与驱动系统的电源是分开的。列车无须外接电源可以悬浮1小时左右。在行驶期间，车载蓄电池通过安装在支承磁铁中的直线发电机充电。低温超导磁悬浮列车的超导磁体安装在列车底部，在轨道上也设有内装超导磁体的闭合铝环，当列车在直线同步电机的驱动下运转时，低温超导体在轨面上产生强大的磁场与铝环匝连，并在铝环内感应产生强大电流。由于磁场与电流之间的相互作用产生浮力使列车悬浮起来，从而消除了轮与轨之间的摩擦力，是列车的速度大幅度提高。（2）因为低温超导磁悬浮列车在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮，所以机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑。四、请简述超导限流器的基本工作原理，并分析其较电力系统常规限流器优势。答：超导限流器（SFCL）是利用超导材料的超导态正常态（S-N）转变特性及一些辅助部件，在线路出现故障时产生一个适当的阻抗来实现限流。当故障线路被断开或故障消失后，限流器自动复位。限流器可在高电位运行，正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗，几乎无损耗地通过额定电流；故障时可在几毫秒内做出反应，根据需要把短路电流限制在额定电流的两倍左右。触发、复位均自动，限流效果显著，实现了取样、检测、触发、限流、复位一体化。根据限流方式。限流器可分为电阻型、电抗型和R+jwl型。电阻型限流器的原理最简单。线路正常运行时，流过限流器的交流电流最大值小于临界电流Ic。出现短路故障时，短路电流超过Ic，限流器失超，在线路中表现为一个电阻，起到限流作用。电抗型限流器主要是利用超导体的S-N转变改变各个线圈电流的分布，以实现限流功能。正常运行时，限流线圈的磁通被与其耦合的其他线圈的磁通所抵消，表现为低阻抗。发生故障时，超导部件失超，从而改变各个线圈电流的分布情况，使限流线圈呈现一个较大阻抗，以实现限流。R型、L型限流器结合在一起，可组成R+jwl型限流器。优点：1、动作速度快，反应时间小于20ms（在一个电力周波内）2、可在电力系统故障时自动触发，能将短路电流减少一半以上3、故障线路被断路器开断后，能快速自动复位并在几秒内多次动作，以配合重合闸4、正常运行时，功耗应接近于零。最大不能高于输送功率的百分之零点二五5、可靠性应高于与其同时运行的断路器。5、 请设计一个超导变电站？并比较超导变电站相对常规变电站的优势和特点。 答：(1)高温超导变电站：传统的油浸变压器是将铜导线绕制的一、二次绕组套装在铁心柱上, 然后将器身装入钢制的油箱里, 再将油箱注满变压器油。而高温超导变压器是将铋氧化物超导线材卷制的绕组, 放入经玻璃纤维强化的玻璃钢制成的隔热圆筒内(GFRP) , 并注入77K( - 196) 的液氮, 以取代变压器油, 另外, 从热设计角度考虑, 可以把铁心放在室温空间里与液氮加以隔绝.(2)与传统变电站相比，超导变电站在大幅提高电网供电可靠性和安全性、改善供电质量、提高传输容量及降低传输损耗等方面发挥重要而不可替代的作用。6、 请结合课程学习内容，谈谈你对未来超导技术发展研究的认识。 答： 目前,体现高温超导应用前景的一些重要进展有以下几个方面: 一是用Bi22223(Bi2Sr2Ca2Cu3O Y)材料制备的电缆,临界电流密度已达518104A/ cm2(77 K) ,几百米到一千米长的电缆总电流密度已达8 000 A/ cm2(77 K) , 达到了应用要求; 二是制备Y系(YBa2Cu3O7)带材,主要开发领域为短距离大电流低压输电(高温超导变压器及电厂的大电流开关等) 、平衡电网用的小型储能线圈装置、交流同步电机、高场磁体等;三是在电子器件方面的应用,较为突出的是微波器件,特别是无源微波器件;四是民用方面,最有前景的是可移动通信系统地面站用的微波器件(如滤波器等). 赵新杰2002年介绍了适用于制备微波滤波器的高温超导薄膜(YBCO)的激光沉积工艺和Ti2Ba2CaCu2O8(T122212)的先驱膜制备及铊化工艺. 以GSM为代表的第二代移动通信网的容量已明显不足,超导技术是解决这个问题的重要手段. 作为第三代移动通信系统的新型高温超导器件也在研制中. 此外,高温超导技术还可与半导体及其他性质材料结合,开发新的微电子器件以及与约瑟夫森(Josephson)效应有关的超导器件.目前,尽管在制备超导材料等方面已取得了显著成就,单晶、薄膜材料的合成也已十分成熟,百米长度以上的高温超导带材的生产成为现实,然而,由于氧化物陶瓷材料的固有属性及一些具体技术的限制,除了在一些微电子领域,高温超导