超导物理性质及电力应用技术

发表时间:2017/3/16   来源:《科技中国》2017年1期   作者:黄德夫
[导读] 本文就是对超导物理性质做浅显的叙述,以及超导在电力上的运用技术。

(中央民族大学附属中学 北京 100081)

[摘要]超导物理是近21世纪开始的得到重视的,这主要是在20世纪80年代以前,人们一直以为超导技术的产生只有在直流稳定电磁场的条件才会产生,直到发现在交变电磁场的作用下也能产生超导技术,它才被广泛运用。而超导体的主要性质有零电阻,迈斯纳(Meissner)效应和约瑟夫森(Josephson)效应三个特性,这对于超导电缆的运用提供了基础。本文就是对超导物理性质做浅显的叙述,以及超导在电力上的运用技术,作为一个高中生,这个领域所涉及的物理可以说是有相对的难度,这主要是我们并未系统的涉及超导物理的学习。
[关键词]超导物理,超导电缆,超导体,电力
        0引言
        超导电性是在1911年别人类发现的,而那些优秀的物理学家们就为了让这个发现能够合理的应用在我们的生产和生活上,一直潜心研究着。但20世纪80年代以前,超导技术的价值一直没有被有效地挖掘出来,这主要是这个技术的运用条件是在直流稳定电磁场的条件下,尤其是工作的环境必须是在液氦温区(4.2 K,绝对温度0 K相当于摄氏温度-273.15℃ ),但是随着21世纪的人才辈出,超导技术已经取得了很大的成功,现在这个技术已经可用于交变电磁场条件下,以及可用于液氮温区(77 K)的高温情况下,这样的突破使得这个技术得到迅猛的发展。在美国以及德国这样的工业发达国家超导发电机、超导变压器、超导电缆、超导限流器以及超导磁储能和超导磁悬浮飞轮储能的试验样机均已相继试制成功,超导限流器、超导电缆以及小型超导磁储能系统已经开始进入市场。所以这也表示这超导这个物理性质将在电力范围领域得到广泛的运用。
        超导体的三大基本特性
        零电阻、迈斯纳(Meissner)效应和约瑟夫森(Josephson)效应这三个即为超导体的三大基本特性,称为超导电性,而在一定条件下,超导体所具有的超导电性的状态称为超导态。
        1.1零电阻
        自由电子在晶格中自由运动以及和晶格进行反复的碰撞时导体内电子的基本运动。而电子的运动方向没有外加电场的条件下是不能确定的。如果在有电场的情况下,电子在电场力的作用下做定向移动,则会相应的产生电流。而导体的电阻是由于电子运动的过程中和晶格以及导体中的其他杂质原发生碰撞因而导致电子散乱排列,损失能量所产生的。导体的电阻一般随着温度的下降而下降原因是因为晶格的热振动减弱,电子散乱的程度也相继减少。一般来说,导体一定会存在着相对的残余电阻,但是超导体在超导态时的电阻却完全消失了。超导体在超导态时之所以不存在电阻,是因为超导电子不会因为电子散乱而产生能量,超导电流有超导电子对承载。
        1.2迈斯纳效应
        作为超导体的第二大基本特性,对于超导体,无论是先加磁场再将之冷却到临界温度以下,还是冷却到临界温度以下后再加磁场,超导体内部的磁场感应强度都是零,超导态不能允许磁通线通过,所以超导态的超导体是完全抗磁的。


磁悬浮以及磁屏蔽就是运用了这个特性。
        1.1.3约瑟夫森效应
        约瑟夫森效应在超导体—绝缘薄层—超导体形成的超导结上产生。超导体与其他材料的区别就在于完全不同的电子隧道效应,而这个效应的运用就有超导电子学,微弱电磁场测量等。
        2电力应用技术
        2.1超导电缆
        当前我们国家的输电电网体系中,因为输电线所要承载的电流大一级路程远,所以存在比较大的电阻,导致电能损耗仅在输电的过程中就高达四分之一左右。而超导电缆是超导物理性质在电力领域的运用,超导材料做成的输电线路,在输电的过程几乎没有损耗,所以相当大的程度提高线路的输电效率,对于现在提倡的节约能源是一个很大的响应。超导材料是一个没有电阻的材料,所以科学家们对于将超导材料运用到电缆中的设想很有激情,现在国家已经在着手将超导电缆进行实践运用了。经过研究计算,在相同尺寸的电缆相比中,超导电缆的输电容量是铜的3到5倍。截流能力大、损耗低和体积小是超导材料的最基本优点。许多发达国家,中国以及欧洲大国总共装设了几十条的各种电压等级和各种输电容量的超导电缆,而现在电压的最高等级已经上升到了138 k V,最大的输电容量达到560 MVA,所能达到的最长距离是 600 m。我们都知道,超导电缆有着各种各样的优点,所以许多有能力的大国都愿意建造属于他们自己国家的超导输电线路。但是根据超导电缆所用的电绝缘层,我们又可以将超导电缆分为冷绝缘超导电 缆和常温绝缘超导电缆。绝缘层出在常温区的即为常温绝缘超导电缆,所以常规的电绝缘材料技术,它都可以引用。绝缘层与导体一起处在低温区的称为低温绝缘超导电缆,而这样的超导电缆它的尺寸相对更为紧凑,有时候电缆载流会产生一定的磁场,这对于电缆周围的环境会造成一定的影响,所以制作电缆的时候通常在绝缘层的外侧再覆上一层屏蔽层,一般来说,冷绝缘超导相对热绝缘超导在电量的传输上更大,而在传输电流的情况下损耗也低,在运输的过程中所需要的制冷成本也低,结构也较为紧凑,特别是能够完全的屏蔽电磁场。所以,现在国际上所运用的主流电缆结构也是冷绝缘超导电缆。具有比热绝缘超导电缆更多的优点,相应的它的缺点就是制作成本较高,所要建造的结构也比较复杂,在安装方面也有一定的难度。
        2.2超导发电机
        超导材料在发电机上的的应用主要是在常规的发电机的基础上,用超导材料制成发电机的转子,所以制造出来的超导发电机的体积是常规发电机的一半,重量也是原来的三分之二,但是超导发电机所能做到的发电效率却是常规发电机的1.5倍,而且超导材料制成的发电机结构也更为紧凑。超导材料制成的发电机可在飞机和舰艇这样需要降低质量以及体积的产品上做出重要的贡献,而且对他们的速度也没有影响。
        除了运用在超导电缆以及超导发电机上,它可以运用在超导变压器,超导储能器等,超导材料对于电力技术的发展起到促进的作用。
        3结语
        根据上面我们叙述的,我们发现超导材料在某些领域来说,它有很多的应用和优点,但是在运用的过程涉及到很多人类还没有解决的技术问题,导致这个技术不能得到广泛的运用,所以作为高中生我们有义务学好物理,为解决科学上的难题贡献出我们的力量。
参考文献
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[2]唐跃进,李敬东,叶妙元,王惠龄,程时杰,潘垣. 未来电力系统中的超导技术[J]. 电力系统自动化,2001,02:70-75.
[3]王惠龄,饶荣水,李敬东,唐跃进,程时杰,潘垣. 超导电力低温技术展望[J]. 电力系统自动化,2001,17:65-68.
[4]孙开,王秩伟,李建奇. 高温超导电性研究及应用[J]. 华北电力技术,2015,12:53-65.
 

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