超导体可以制冷吗(超导体制冷原理)

<h2>1. 超导体制冷原理</h2><p>超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯。</p><p>1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。后来他又发现许多金属（例如铝、锡）和合金都具有与水银相类似的特性：在低温下电阻为零（这一温度叫超导材料的临界温度），由于它的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态。</p><p>昂尼斯的这一发现轰动了全世界，大家纷纷想要揭开超导的奥秘，因为只有了解了超导现象的微观机理，才能使它为人类作出更大的贡献。</p><p>在高温超导体出现以前，使用在液氦温度下的低温超导材料经过二十余年研究与发展获得了成功。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦系统中使用，因而严重限制了低温超导应用的发展。</p><p>1986年高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了液氮温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场，能够用来产生20特以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些优点，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高临界温度超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。</p><p>自从高温超导体发现以来，人们对高温超导薄膜的制备与研究都给予了极大的重视，特别是液氮温度以上的高温超导体的发现，使人们看到了广泛利用超导电子器件优良性能的可能性。想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。尽管如此，通过各国科学家十几年来坚持不懈的努力，已取得了很大的进展，高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零磁场下77K时，临界电流密度已超过1×106安/厘米2，工艺已基本成熟，并有了一批高温超导薄膜电子器件问世。</p><p>超导电性的实际应用从根本上取决于超导材料的性能。与实用低温超导材料相比，高温超导材料的最大优势在于它应用于液氮温区。20世纪90年代，随着第一代Bi系高温超导材料的商业化，美国、日本、欧洲和中国等和相关大公司都投入大量的人力和资金，开展高温超导电力应用研究，相继开展了超导电机、超导变压器、超导输电电缆和超导储能装置等的研究，并取得了许多实质性的进展。</p><p>高温氧化物超导体的出现，无疑给超导电子学带来了更为广阔的应用前景。常规超导电子器件早已显示出巨大的优越性，超导量子干涉器件用于测量微弱磁场，灵敏度可比常规仪器高1～2个数量级，这使得它在生物磁场测量、寻找矿藏等领域发挥了巨大的作用，超导隧道效应使微波接收机的灵敏度大大提高，超导薄膜数字电路可用来制造高速、超小体积的大型计算机，但由于常规超导器件工作在液氦温区或制冷机所能达到的温度（10～20K）下，这个温区的获得和维持成本相当高，技术也复杂，因而使用常规超导器件的应用范围受到了很大的限制。</p><p>高温超导体的临界温度已突破液氮温区，由它所制成的器件可在这个温区下正常地工作，这就打破了常规超导器件的局限性，使超导器件可在更大的范围内发挥作用，而且高温超导体的工作温度和一些半导体器件重合，二者结合起来，就可发展出更多的有用器件。</p><p>生物磁场</p><p>科学家研究发现，生物体内也具有一定的磁场和极性，人们称之为“生物磁场”。生物磁场对生物体具有一定的影响，其中有利也有弊。生物磁场有三类：（1）由天然生物电流产生的磁场。凡是有生物电活动的地方，就必定会同时产生生物磁场，如心磁场、脑磁场、肌磁场等均属于这一类。（2）由生物材料产生的感应场。组成生物体组织的材料具有一定磁性，它们在地磁场及其他外磁场的作用下便产生了感应场。（3）由侵入人体的强磁性物质产生的剩余磁场。在含有铁磁性物质粉尘下作业的工人，呼吸道和肺部、食道和肠胃系统往往被污染。这些侵入体内的粉尘在外界磁场作用下被磁化，从而产生剩余磁场。</p><h2>2. 超导体需要的温度?</h2><p>超导体临界磁场强度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以下时又进入超导态，此Hc即称为临界磁场强度。Hc与物质和温度有关，一般有: Hc(T) = Hc(0) [ 1－(T/Tc)2 ],其中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。</p><h2>3. 超导体导热吗</h2><p>超导体，又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25（读作十的负二十五次方）Ω，可以认为电阻为零。</p><p>综上所述，超导体是良导体。根据傅里叶定律，φ=-λA*（dt/dx），其中φ为热流量,λ为导热系，表征材料导热性能的物性参数；A为传热面积；dt表示微元厚度两面的的温差；dx表示微元厚度；负号表示传热方向与温度梯度方向相反。由上式可知λ越大，导热性能越好。 空气导热系数λ为 0.024W/(m (℃)，相比水 ：0.54，铁：80。因此是热的不良导体。</p><h2>4. 超导体原理图</h2><p>超导原理是：在很低的温度下，物体的所有的电子速率降低，价电子运转在固定的平面上，达到临界温度，价和电子运转速率越来越低。核心习惯于常温下的核外电子快速运转，价和电子运转缓慢，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子，相邻核心又挪用，所有的核心都向某一方向近邻挪用，于是就形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。简单来说就是在超导状态下电阻为零，由于这个特性，在电力方面如发电、输电和储能等广阔的应用，但由于需要液氮的温度甚至更低的温度才能达到超导状态，所以应用上受到了限制，目前已有少量的试验式的应用，大规模的应用还有待时日，需要开路者们的热情和奉献。</p><h2>5. 超导体工作温度</h2><p>物理上的超导体就是温度下降到某个温度时，导体的电阻为零的现象。</p><p>引入生活中，两个人的关系非常冷淡，根本没有什么结果。</p><h2>6. 超导体制作过程</h2><p>不是超导体，是半导体。</p><p>发光二极管也就是“LED”，它采用的是固体半导体芯片为发光材料，所以它是半导体，不是超导体。LED与传统灯具相比，LED更节能、更环保，在显色性和响应速度上也比传统灯具高。</p><p>发光二极管也就是常说的“LED”，它是由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成。它是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，将电能转化为光能，其用途十分广泛，比如：照明、平板显示、医疗器件等都有涉及。</p><h2>7. 超导体制备</h2><p>双栖和超导体都是一种用于电路制作的材料，但它们的特性和适用范围略有不同。在选择时，需要考虑以下因素：</p><p>1. 特性。双栖材料通常具有高导电性和高机械强度，适用于制作高性能电路和微电子器件。而超导材料则具有零电阻和磁场排斥等特性，适用于制作低温超导器件和磁共振成像等应用。</p><p>2. 成本。双栖材料相对较便宜，易于加工和制造，适用于大规模生产。而超导材料则相对较昂贵，需要较高的制备和维护成本。</p><p>3. 应用场景。双栖材料适用于制作各种电路和器件，如集成电路、传感器、光电器件等。而超导材料则适用于制作低温超导器件、磁共振成像等应用。</p><p>综合考虑以上因素，选择双栖材料或超导材料应该根据具体的应用需求和制造成本来进行决策。如果需要制作高性能电路或微电子器件，可以选择双栖材料；如果需要制作低温超导器件或磁共振成像等应用，就需要选择超导材料。</p><h2>8. 超导体机理</h2><p>也不能说是绝对。超导体，又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。人类最初发现超导体是在1911年，这一年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯等人发现，汞在极低的温度下，其电阻消失，呈超导状态。此后超导体的研究日趋深入，一方面，多种具有实用潜力的超导材料被发现，另一方面，对超导机理的研究也有一定进展。目前，超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的缺陷材料。 </p><h2>9. 超导体制作什么</h2><p>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　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％。　　磁流体发电机　磁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。　　超导输电线路　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。广阔的超导应用　　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。　　超导磁悬浮列车　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。　　超导计算机　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。　　核聚变反应堆“磁封闭体”　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。 </p>