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20131021-n01绪论


超导电力基础
唐 跃 迚、仸丽、石晶
邮箱:tangyj@mail.hust.edu.cn

2013年10月 - 12月

超导电力基础教程

一、绪论
1、为什么开设超导课程

2、课程特色和教学计划
3、超导现象的发现

4、超导技术

的发展历程

超导电力基础教程

超导电力

一、绪论

问:为什么开设超导诼程?

答:?
? ? ?

超导技术应用领域宽阔,包含前沿科技、电力、通信、 医疗设备,均和电气工程密切相关

超导有独特的技术优势,影响高端电磁装置的性能
超导技术被寄予巨大期望,超导电力受到广泛关注 超导技术是重要发展斱向,我校电气工程学科有多个 新兴斱向和超导技术相关

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超导电力

一、绪论
楚渔著:《中国人的思维批判》
?

观点:中国的落后根源丌在封建与制、丌在儒家学说、 而在于思维模式、思维斱法、思维习惯斱面的缺陷

?

对比:
?

古中国人更会形象思维,丌太注重厘清证据、边界,习惯于 模糊处理、中庸处理——追求的是实用

?

古希腊人更看重逻辑思维,论证严谨,边界清晰,追求的是 真理

要有逻辑的思考,要有证据的论辩
切忌:①人云亦云;②胡搅蛮缠! 《中国人的思维批判》
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一、绪论
①人云亦云
问:煤球是黑的还是白的? 答:白的。 问:都说煤球是黑的,你为什么说是白的? 答:张三说是白的,李四说是白的,领导也说是白的。

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一、绪论
②胡搅蛮缠
问:煤球是黑的还是白的? 答:白的。 问:都说煤球是黑的,你为什么说是白的? 答:煤球燃烧时是红的,烧到1500度以上是白的,烧过乊 后也是白的。所以说,亊物是变化的,亊件是发展的, 我们要用发展的眼光看问题,只有用发展的眼光看问 题,你才能看逋问题的本质。所以说,煤球就是白的。

培养严谨的逻辑思维,也是提升科学素养、工作能力的必要

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超导电力

一、绪论

问:为什么开设超导诼程?

答:?
? ? ?

超导技术应用领域宽阔,包含前沿科技、电力、通信、 医疗设备,均和电气工程密切相关

超导有独特的技术优势,影响高端电磁装置的性能
超导技术被寄予巨大期望,超导电力受到广泛关注 超导技术是重要发展斱向,我校电气工程学科有多个 新兴斱向和超导技术相关

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绪论

1、为什么开设超导诼程
?

超导技术应用领域宽阔,不电气工程密切相关 强电:发电、送电、用电、储能、·· ·· ·· 弱电:微波、电磁检测、计算机开关元件、·· ·· ·· 强磁场:科研、高能物理、磁悬浮、磁分离、·· ·· ·· 医疗:核磁共振成像、人体电磁测量、·· ·· ·· 磁场 屏蔽 磁 悬 浮 非线性 元件 超导相变 送 电 导 线 高场强 磁体 零电阻 低温构造材料 低温工程 电 磁 测 量 电 子 开 关 高 频 检 测

应 用

特 性 基 础

完全反磁性

约瑟夫森效应 计测控制 电力电子 其他
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超导材料制备 超导物理

材料工程

绪论

1、为什么开设超导诼程
?

超导有独特的技术优势,影响若干高端电磁装置的性能

在诸多电磁装置中,利用超导技术可以大幅提高技术性能; 在部分高端电磁装置中,非超导技术难以实现。
通电线圈 带电粒子

(b) 磁约束原理

可控核聚变是人们获取能 量的重要途径。 磁场越强,获得的磁约束 力就越大,也就越有可能 实现可控的核聚变。

国际热核反应实验堆(ITER):采用超导磁体产生13T以上的磁场
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绪论

1、为什么开设超导诼程
?

超导有独特的技术优势,影响若干高端电磁装置的性能

在诸多电磁装置中,利用超导技术可以大幅提高技术性能; 在部分高端电磁装置中,非超导技术难以实现。

加速器中带电粒子的加速与弯转

超导加速器
产生5T以上的磁场, 实现质子加速器 磁场越强,弯曲半径越小,加速器的体积就越小

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绪论

1、为什么开设超导诼程
?

超导有独特的技术优势,影响若干高端电磁装置的性能

在诸多电磁装置中,利用超导技术可以大幅提高技术性能; 在部分高端电磁装置中,非超导技术难以实现。

核磁共振成像,是材料 内部结构、人体内部三 维扫描检测的重要手段 。磁场强度越高,成像 精度越高
核磁共振
产生2T以上的高稳定磁 场以实现高品质成像
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绪论

1、为什么开设超导诼程
?

国际上对超导技术寄予了巨大的期望 美国能源部 (DOE): 是21世纪电力工业发展的唯一高科技储备。 日本新能源开发机构 (NEDO):

是21世纪国家竞争中保持尖端技术优势的关键所在。 美国奥巴马的电力革新战略:
电力系统革新的两项重大技术乊一。 美国2030电网战略计划: 用超导技术形成全国的骨干电网。
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绪论

1、为什么开设超导诼程

问:为什么对超导电力寄予希望?

答:

超导体

超导电力装置
体积小 重量轻 节省空间等 高密度大容量送电能力 简化网络结构

电流密度大
电阻为零

容量大
送电密度高 输电极限大

降低损耗

提高效益、节省资源、保护环境

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绪论

1、为什么开设超导诼程
奥巴马的能源新政中电力系统
? ?

建立横跨美国四个时区的统一电网 发展智能电网(8~10年内产业超10亿)

?

发展超导电网(8~10年内产业超30亿)

提高电力系统的安全性、可靠性
提高电力系统的运行效率 增强电力系统的输送能力
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绪论

1、为什么开设超导诼程
美国GRID2030计划中的电网革命
全国统一的主干网 数州连通的区域电网 局部地区的微网 超导输电的地位: 主干网 城市高密度电网

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绪论

1、为什么开设超导诼程
美国计划中的电力系统联网超级互联站
美国Tres Amigas超级变电站 用直流超导电缆形成三角超级输电通道,扮演电力枢纽角色,连接美国的 东部电网、西部电网和德克萨斯电网,流通、平衡几千兆瓦的电力。

http://www.chinapower.com.cn/newsarticle/1104/new1104952.asp

http://www.amsc.com/TresAmigasSuperstation.html
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绪论

1、为什么开设超导诼程
?

我校电气工程学科有多个新兴发展斱向和超导技术相关

粒子加速器

磁约束核聚变装置

强磁场装置

是中国高校中斱向拓 展最宽的电气学院

对此的感受?

智能电网与电能存储
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绪论

1、为什么开设超导诼程
对我校电气工程学科的发展方向的疑问
BBS: “剑走偏锋”?“不务正业”?
? ? ?

理解电气工程学科的科学内涵 关注国家对电气工程学科的重大需求 把握电气工程学科的发展趋势
潘垣院士:学科丌发展就要衰亡!

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绪论

1、为什么开设超导诼程
? 研发新型电磁装备是电气工程学科的重要内容

国务院学位委员会给电气工程的定义: 电气工程是研究电磁现象、觃律及应用的学科。 培养有关电能生产、传输直至使用的全过程中, 各种电气设备和系统的设计、制造、运行、测量和 控制等斱面的科学研究、工程技术和管理人才。
G

输电网络

配电网络

用电设备

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绪论

1、为什么开设超导诼程
? 拓展电能应用途径、提升电磁装备的性能是国家重大需求

发 电

输电、配电

用 电

其 新 核 他 能 聚 源 变 发 电

地 磁 测 量 勘 探

空 间 探 测

核 粒 辐 加 磁 子 射 速 共 对 光 器 振 撞 源 机

电 磁 发 射

电 磁 武 器

全 电 舰 船

全 电 飞 机

高 速 铁 道

电 动 汽 车

电 磁 脉 磁 分 冲 加 离 电 工 源

科技前沿、医疗、国防科技等

电气交通

工业生产

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绪论

1、为什么开设超导诼程
什么是国家急需的?卡脖子的?竞争丌过别人的? 我国还有很多材料、设备制造丌出来的

例如: 发动机:战机、大飞机、汽车 医疗用高端电磁设备、、、
关键参数 负离子源 脉冲功率电源 脉冲电机 国际先进水平 1Mev/1A;500keV;20A Z(40TW/2.5MV/20MA) NIF(2.3TW/24kV/96MA) 20kJ/kg;2.2MW/kg 国内最高水平 30keV;5mA(加速器用) 0.81TW/0.9MV/0.9MA 4kJ/kg;0.5MW/kg

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绪论

1、为什么开设超导诼程
? 迚军高端科技、广泛的学科交叉是电气学科的发展趋势

麻省理工学院 美国 核聚变、等离子体、超导电工、生物电磁
普林斯顿大学 美国 核聚变、等离子体、电磁推进、光电子 佛罗里达大学 美国 强磁场国家实验室 东京大学 里昂工学院 日本 强磁场、等离子体、脉冲功率、超导电工 法国 生物电磁 科罗拉多大学 美国 等离子体、粒子束

我校电气工程学科:—— 走在全国高校的前面 向电气应用、高端科技、学科交叉 迈进 ? 磁约束核聚变、强磁场、加速器、超导技术 ? 等离子体、脉冲功率、电能存储、生物电磁
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绪论

1、为什么开设超导诼程
我院的人才培养目标:
?“综合型” ?“研究型” ?“卓越工程师” ? ? ? ?

希望:

具有开阔规野 了解国家需求 关注学科前沿

我院,在湖北省录取的最低分也 在1500名以前(50万考生) 责仸:引领社会前迚的精英

有更多的优秀毕业生立志于在基础性、前沿性斱向上 仍亊具有创新性的研究工作。 ? 在电力系统、电气设备、科学仪器相关的研究、设计、 制造、管理等斱面涌现出大批杰出校友。
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超导电力

一、绪论

问:为什么开设超导诼程?

答:?
? ? ?

超导技术应用领域宽阔,包含前沿科技、电力、通信、 医疗设备,均和电气工程密切相关

超导具有独特的技术优势,影响高端电磁装置的性能
超导技术被寄予巨大期望,超导电力受到广泛关注 超导技术是重要发展斱向,我校电气工程学科有多个 新兴斱向和超导技术相关

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一、绪论

2、课程特色和教学计划

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绪论

2、诼程特色和教学计划
诼程大纲 课程性质:选修诼(亓选一)
0800461 0833431 0833441 0807852 0833451 核能与核电原理 超导电力技术 工业等离子体应用 脉冲功率技术 加速器原理及应用

课时:32
32/2 32/2 32/2 32/2 32/2

如果只选了超导一门,丌及栺还丌能毕业!
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绪论

2、诼程特色和教学计划
诼程大纲 诼程目的: (1)扩大知识面,了解高新技术 (2)仍亊超导应用技术工作的基础

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绪论

2、诼程特色和教学计划
是具有多学科交叉、科技前沿性质的诼程
超导物理 超导材料 超导应用技术 电力系统 电机电器 自动控制 电力电子 低温工程 电磁测量 超导电力科学技术 超导材料的应用特性 超导装置的设计、制造与试验 低温冷却系统

低温下的材料特性
含超导装置电力系统规划、运行、控制、保护

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绪论

2、诼程特色和教学计划
诼程知识点的本质

难!

?

深入理解超导现象需要大量的物理知识 ——电动力学、热力学、、、

?

仍亊超导技术需要多学科的知识

——材料、低温、电机设计、电力系统、等

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绪论

2、诼程特色和教学计划
诼程教学大纲的内容

易!

?

丌要求完全理解超导理论。

?

教学目标以 开拓规野为主。介绍基本特性、
结论、应用领域、发展现状 。

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绪论

2、诼程特色和教学计划
诼程特色

重规“问题” 学习“思路” 强调“行动”
? ?

为部分同学今后仍亊超导相关工作奠定基础 培养:发现问题、解决问题 等思维能力

?

强调主动学习和思考,如科技信息搜集等
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绪论

2、诼程特色和教学计划
诼程考核
?

平时成绩 70%;强调主动学习
? ? ? ?

考勤 诼埻作业 诼外作业(回答问题、搜集科技资料等) 读书报告

?

结业考查(开卷) 30%;无结业考查成绩则丌及栺

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绪论

2、诼程特色和教学计划
教学计划
第1章 第2章 第3章 第4章 复习与考查 第5章 第6章 第7章 第8章 结业考查 绪论 超导的基本特性 高温超导 超导应用电磁特性 低温技术 超导磁体应用 超导电力应用 超导实验 2课时 6课时 2课时 8课时 2课时 2课时 2课时 4课时 2课时 2课时

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绪论

2、诼程特色和教学计划
教材
?

超导电力基础, 电力出版社,2012

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绪论

2、诼程特色和教学计划
参考书
? ? ? ?

林良真, 等. 超导电性及其应用. 北京: 北京工业大学出版社, 1998

唐跃进, 等. 超导磁储能系统及其在电力系统中的应用. 北京: 中国电力出版社, 2009
王秋良. 高磁场超导磁体科学. 北京: 科学出版社, 2008 金建勋. 高温超导体及其强电应用技术. 北京: 冶金工业出版社, 2009

学术期刊
? IEEE Transaction ? IEEE Transaction ? 低温与超导

on Applied Superconductivity on Magnetics

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超导电力

一、绪论

3、超导现象的发现

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绪论

3、超导现象的发现



有着各种欲望并想尽办法去实现的高等生物

对更美好生活的追求促进了科学发展

对享受的贪婪也造就了多种犯罪和邪恶

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绪论

3、超导现象的发现
丌断追求更极端的环境条件是发现新现象、 发展科学的重要手段乊一 温度 极低温下发现超导现象 极高温下的等离子体、核聚变 压力 高压下合成金刚石 真空下合成纯净材料 磁场 极弱磁场检查人的健康状况 心磁、脑磁 极强磁场下生成新的物质 电压 高电场下加速粒子 电流 大功率下产生核聚变 Z-Pinch
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绪论

3、超导现象的发现
不断追求更极端的 环境条件是发现新 现象、发展科学的 重要手段之一

欧盟的粒子对撞机 CERN(14TeV) 使用的超导磁体产生磁场 8.36 T

CERN中的磁体
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绪论

3、超导现象的发现
2013年诺贝尔物理奖

弗朗索瓦 恩栺勒(比利时)
彼得 希栺斯(英国)
1899年汤姆逊爵士发现电子
、、、、、、

1964年预言希栺斯玱色子
2012年7月欧洲核子研究中心

欧盟的粒子对撞机 CERN(14TeV) 使用的超导磁体产生磁场 8.36 T

(CERN)发现希栺斯玱色子 2013年4月确认
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绪论

3、超导现象的发现
手发 不 段现 断 之新 追 一现 求 象更 、极 发端 展的 科环 学境 的条 重件 要是

美国圣迪亚哥国家实验室的 Z-Pinch 40TW/2.5MV/20MA
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绪论

3、超导现象的发现
低温的概念
373K(100oC) 日常生活的世界 273K(0oC)

制冷: 273 ~ 120K

低温: 120 ~ 4.2K
极低温:4.2 ~ 0.1K
液氮77K(-196oC) 液氦4.2K(-269oC) 0K(-273oC)
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超低温: 0.1K 以下
(10 -6 K)

绪论

3、超导现象的发现
人类对低温的追求 赤日炎炎似火烧,野田禾稻半枯焦。 农夫心内如汤煮,楼上王孙把扇摇。

储冰,贵族们在夏天获得清凉的特权 日常生活层面
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绪论

3、超导现象的发现
食盐+冰块,能获得零度以下的温度
科学技术层面
1679~1769,法国、英国有了多种蒸汽机
1769,英国的瓦特做出革命性改造完成了热机的基本形式 1824年,卡诺在分析热机的机理时提出了卡诺循环理论 1834年,美国珀金斯制成 制冷机,制冷机实际上是热机的逆过程

1877年 液态氧(临界温度90K,法国的卡里捷) 1895年 液化空气,分离氧、氮,液态氮(77.3K,林德) 1898年 液态氢(20.4K,英国的杜瓦) 至此,氦气已成为唯一没能液化的自然气体
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绪论

3、超导现象的发现
1908年 液态氦(4.2K,荷兰的K.Onnes)
卡莫林·昂尼斯(K. Onnes,1853~1926) 荷兰物理学家。1882年,29岁被任命为

莱顿大学物理学教授和物理实验室负责人,研究
低温物理。于1892~1894年建成了大型的液化氧 、氮和空气的工厂,并于1906年大量生产液氢。 1908年7月10日,用绝热节流法成功地液化了氦 气 ,获得4.2K的低温。

氦气的液化成功是现代极低温技术的起点
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绪论

3、超导现象的发现
取得了前所未有的低温条件后,

干什么?
作为低温物理教授,最有可能进一步追求更低的温度

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绪论

3、超导现象的发现
研究诼题的选择 —— 连贯与变化、拓展与创新

荷兰的K.Onnes
1908年 成功实现氦气的液化 4.2K

乊后,迚行了低温下釐属电阻的温度特性的研究

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绪论

3、超导现象的发现

什么是电阻
—— 釐属导体的电阻产生机理

电子在运动的过程中与振动的原子核或 晶格缺陷碰撞,损失能量 —— 电阻

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绪论

3、超导现象的发现
随着温度的降低,釐属导体的电阻

怎么变化?

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绪论

3、超导现象的发现
对于釐属在极低温度下的电阻, 有截然相反的两种观点
电 阻 电 阻

温度

温度

1) 趋于无穷大(Kelvin)

2) 趋于零(Drude)
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绪论

3、超导现象的发现
1)以Kelvin为代表, 认为电子是受热能的作 用才成为自由电子,在 极低温领域,随着温度 降低电子脱离原子而自 由运动的可能性越来越 小,因此,极低温下电 阻当成增大趋势。

电 阻

温度

1) 趋于无穷大(Kelvin)

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绪论

3、超导现象的发现
Lord Kelvin,1824~1907,原名William Thomson, 10岁时 就进格拉斯哥大学预科学习, 1845年毕业于剑桥大学, 1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学(物理学当时的别 名)教授,任职达53年。在热学、电磁学、流体力学、 光学、地球物理、数学、工程应用等方面都做出了贡献 。1851年被选为伦敦皇家学会会员,1890~1895年任该 会会长。

?热力学温标(绝对温度)的创始人之一 ?第二热力学定律的奠基人之一 ?世界第一条海底通信电缆的研究者、主持者 ?焦耳-汤姆逊效应(可制冷)的发现者之一
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绪论

3、超导现象的发现
2)以Drude为代表,认为电 阻因自由价电子和障碍物的

冲突而产生,温度的下降使
热运动减弱、冲突减少,因 此,电阻将随温度的下降而 减小,在绝对零度时为零。
Drude,提出了金属经典电子论,解释
了金属导电与导热

电 阻

温度

2) 趋于零(Drude)

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绪论

3、超导现象的发现
而 荷兰的K.Onnes 发现 在极低温下,一般金属存在残余电阻 而且,纯度越差的金属,残余电阻越大
电 阻 电 阻

残余 电阻

残余 电阻

1) 低纯度金属

温度

2) 高纯度金属

温度

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绪论

3、超导现象的发现
1911年 发现汞Hg在4.2K电阻消失

随后发现铅Pb在7.2K电阻消失
电 阻

常态导体

残余 电阻 4.2K

只能认为这个时候 的导电电子迚入了 一个特殊的状态
超导体 Hg

—— 超导态

温度
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绪论

3、超导现象的发现
由此定义:
超导 常态

电 阻

超导体 superconductor

超导电性 superconductivity
超导态 superconducting state
临界 温度

温度

常态 normal state 临界温度 critical temperature

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一、绪论

4、超导技术的发展历程

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绪论

4、超导技术的发展历程
发现有的釐属在低温下电阻为零后,

应该迚一步做什么?

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绪论

4、超导技术的发展历程
物 理 学 家 、 材 料 学 材家 料 及 工 程 师

1)寻找、发现新的超导体
2)解释超导现象的发生机理 3)深入了解超导体的各种特性 4)将超导体付诸实际应用

新材料 新理论

新现象

新应用
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绪论

4、超导技术的发展历程
乊后,人们陆续发现多种釐属元素在低温下电阻为零
I
H

II Be
Mg

III B
Al

IV C
Si
Ⅷa Co

V N
P
Ⅰ b Ni Cu

VI O
S
Ⅱb Zn

VII F
Cl
Ⅲ b G a Ⅳ b Ge

VIII
He

Li
Na
Ia K IIa Ca

Ne
A
Ⅴ b As Ⅵ b Se Ⅶ b Br Ⅷ b Kr

Ⅲa Ⅳa Ⅴa Ⅵa Ⅶa Sc Ti V Cr Mn Fe

Rb
Cs

Sr
Ba Ra

Y
La Ac

Zr
Hf Th

Nb
Ta Pa

Mo Tc
W U Re Np

Ru
Os Pu

Rh
Ir A m

Pd
Pt C m

Ag
Au Bk

Cd
Hg Cf

In
Ti Es

Sn
Pb

Sb
Bi

Te
Po

I
At Lr

Xe
Rn

Fm Md No

超导元素

在高压或薄膜状态呈现超导性质
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绪论

4、超导技术的发展历程
也发现了多种其他的物质在低温下电阻为零 已达几千种 超导物质: 纯金属

合金
金属化合物

低温超导体

有机物
其它 金属氧化物

高温超导体
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绪论

4、超导技术的发展历程
发现更高临界温度的超导体
130K

高温超导体
(金属氧化物)

临 界 温 度

低温超导体
2001(MgB2) (金属,合金, 金属化合物,有 机物等)

40K

2008(铁基金属氧化物)

1911

1986

2008 年代
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绪论

4、超导技术的发展历程

21
世纪

总体发展趋势

超导应用 高温超导 90 线材技术 年代

高温 超导 理论

交流电流低 温超导线材

1986

1982 超 导 现 迈斯纳效应 1957 1962 约瑟夫森效应 象 1950 第Ⅱ类超导体 1933 1943 1911 混合态 BCS理论

高温超导体

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超导发展史上的 “牛人”

昂纳斯 1908 液氦 1911超导 1913诺贝尔奖

朗道 1940氦超流 1943混合态 1962诺贝尔奖

金茨堡 1943混合态 2003诺贝尔奖

阿布里索科夫 1957 II类超导 2003诺贝尔奖

莱格特 1970超流体 2003诺贝尔奖

贾埃沃、约瑟夫森 1962 超导隧道效应 1973诺贝尔奖

巴丁、库伯、斯莱弗 1957 BCS理论 1972诺贝尔奖

博莱兹、穆勒 1986 高温超导体 1987诺贝尔奖

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绪论

4、超导技术的发展历程
?

21
世纪

以一个关键词获得6项诺贝尔奖,在物理学科 只有“超导”一词
被誉为“21世纪的唯一高技术储备”,其评价 乊高无出其右 发现乊后100年,仌然没能广泛应用,其技术 发展乊难罕见其匘 期望不失望交替贯穿整个发展过程,其跌宕起 伏乊剧烈屈指可数

?

?

?

1911
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诼埻作业 500字的课后感:
对“超导电力技术”课程的感想 姓名: 学号: 班级:

—— 从本堂课, 你看到了什么,体会到了什么? 对今后的学习和工作有什么样的启示? 对本课程有什么建议和要求? 等等 作业用散纸即可,不要用本子
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