超导用于哪些方面（简述超导应用）

超导用于哪些方面（简述超导应用）高温超导移动通信基站系统 特指由高温超导微波器件和小型低温制冷机组成的电子学子系统，用于取代现有移动通信基站中接受机前端的关键部件，如滤波器和低噪声前级放大器等，如下图所示。高温超导滤波器是一个被动的器件，它必须冷却到超导转变温度（通常是65-80K，即零下208至1960C）以下，才能正常工作。滤波器通常通过一组同轴电缆与低噪声前级放大器相连。低噪声前级放大器是一个主动器件，当低噪声前级放大器冷却到90-110K（即零下183-1630C）时，其信噪比可以得到大幅度的改善，当进一步冷却到77K（零下-1960C）时，其信噪比可以降到99%。由于高温超导器件的卓越性能，将给移动通信基站性能的提高带来革命性的变化，将成为21世纪新一代移动通信工程的升级产品。高温超导移动通信基站子系统的主要优越性体现在五个方面：改善接受机的选择性;提高接受机的灵敏度;减少基站的功率损耗;提高接通率，可提高1/

1908年，荷兰物理学家卡梅隆•昂纳斯（Kamerlingh Onnes）首次成功地把被称为“永久气体”的氦气液化，因而获得4.2K（-269℃）的低温源，为超导现象的发现提供了必要的低温条件。1911年，他在测试纯金属电阻率时，发现当温度降至-269℃时，水银电阻突然消失，即超低温使物质变成了新物态——超导态。昂纳斯宣布这一激动人心的发现时，并没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。

举一个例子，将金属铅做成一个圆环，放入接近0k的超低温中，铅的电阻就会消失，如果在环中通上电流，然后截断电源，将整套装置密封起来。放置2年后将装置打开，测量电流强度，发现几乎没有变化。这是因为超导环的电阻为0的缘故，因此没有能量损失，环中的电流可以几年、十几年、几十年经久不衰。

超导的具体应用

电力输送和超导电缆 目前世界上的电能约有1/4损耗在输电线路上，1/4损耗在变压器上。若使用无电阻的超导材料做输电线路和变压器，再采用一些绝热技术，将实现“无损耗输电”，等于增加了1倍的发电量。科学家已设计制造出实用超导电缆，利用一种合金氧化物（钇钡铜氧）制成几毫米的带子，缠绕在装有流动液氮的管子上，再加上几层绝热层，一根超导电缆就制成了，它的输电能力是铜的30-40倍。

超导磁体 研究人员已制造出超导磁体，它既无电阻、也无热损耗，易产生强大磁场，还节省电力。5万高斯的强磁场只需几百瓦功率的电源。过去，一个产生5万高斯强磁场的磁体重量达20吨，而采用超导磁体只需几千克。

核磁共振成像超导磁体

超导计算机 高速计算机的散热是超大规模集成电路面临的难题，而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的超导器件来制作，不存在散热问题，还可大大提高计算机的运算速度。所以许多科学家坚信，未来的超大容量快速计算机一定会用到超导的，也就是使用约瑟夫逊器件的超高速计算机。这是因为约瑟夫逊效应使得两个靠得非常紧的超导体材料的绝缘层之间，当施加的电压超过某一特定值时就会有电流通过，小于时则没有——类似于半导体的二极管现象，所以可以用于计算机。同时约瑟夫逊器件具有极高的开关速度(是硅器件的约100倍)和低功耗(只有硅的千分之一以下)，因此发热量极小，可以实现体积小、高密集度集成电路。日本电气公司开发出了使用约瑟夫逊器件新的逻辑电路，其门开关速度达到一万亿分之一秒。

超导计算机

高温超导移动通信基站系统 特指由高温超导微波器件和小型低温制冷机组成的电子学子系统，用于取代现有移动通信基站中接受机前端的关键部件，如滤波器和低噪声前级放大器等，如下图所示。高温超导滤波器是一个被动的器件，它必须冷却到超导转变温度（通常是65-80K，即零下208至1960C）以下，才能正常工作。滤波器通常通过一组同轴电缆与低噪声前级放大器相连。低噪声前级放大器是一个主动器件，当低噪声前级放大器冷却到90-110K（即零下183-1630C）时，其信噪比可以得到大幅度的改善，当进一步冷却到77K（零下-1960C）时，其信噪比可以降到99%。由于高温超导器件的卓越性能，将给移动通信基站性能的提高带来革命性的变化，将成为21世纪新一代移动通信工程的升级产品。高温超导移动通信基站子系统的主要优越性体现在五个方面：改善接受机的选择性;提高接受机的灵敏度;减少基站的功率损耗;提高接通率，可提高1/3以上，并改善通话质量;在人口稀少的地区，可以大量减少基站数量。

高温超导移动通信基站子系统

迈斯纳效应与磁悬浮列车

超导电性另一个基本特性是完全抗磁性。1933年，迈斯纳发现，材料一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，现在称为迈斯纳效应，如下图所示。这实际上就是磁屏蔽的原理，磁悬浮也是基于此原理的。

迈斯纳效应示意图

如下图所示，在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了。这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。

迈斯纳效应演示图

磁悬浮列车就是利用上述磁悬浮原理制造的一种（没有）车轮与轨道无接触式的有轨交通工具，时速可达到500公里以上。由于列车“悬浮”在轨道上面作无摩擦运行，从而克服了传统列车车轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，并且磁悬浮列车具有启动、停车快和爬坡能力强等优点。经过数十年的发展，磁悬浮技术形成了两大研究方向——德国的ＥＭＳ（常导磁吸型）系统和日本的ＥＤＳ（排斥式悬浮）系统。ＥＭＳ系统，是利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸附上来悬浮运行，例如上海的磁悬浮列车。ＥＤＳ系统，则是用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行。下图为日本的超导磁悬浮实验列车的外观图和其原理图。

日本超导磁悬浮实验列车的外观图

日本的超导磁悬浮实验列车原理图

由于磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点，因此前景十分广阔。常导磁悬浮列车可达400-500公里/小时，超导磁悬浮列车可达500-600公里/小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里／小时速度下，每座位／公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也少耗能30%。因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘，从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而也排除了列车追尾或相撞的可能。

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