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6165金沙总站科技小品-超导电磁推进船

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螺旋桨用作船舶推进器已有百年历史了。它比以往的手划摇橹、风帆等具有明显的优点。但造船学家对此仍不满足,因为现今它的推进效率最大不超过70%,一般仅在50%左右,即主机发出的功率有近一半消耗在传递转换能量的途中,多可惜啊!

在这个追求速度和效益的时代,人们越来越对一种现象感到不可容忍:电流在输送过程中时约有30%电能转化为无用的热量。 导体尽管容易让电流通过,但导体仍有一些电阻,而超导体是不存在这个问题的唯一一类材料。超导体是这样一种物质:在低温条件下,它完全没有电阻,电流通过时不会有任何损失。最早的超导体是由荷兰物理学家卡末林-昂内斯在1911年发现的,当时他发现汞在热力学温度4.2K时就不再有电阻。到今天,人们已发现了许多种材料都能在一定条件下变成超导体。而最重要的条件是有极低的温度。一般都要在-200℃以下才会出现超导性质。当温度升高时,原有的超导态会变成正常的状态。 超导体具有许多特殊的性质,当然最主要的是零电阻。人们做过实验,让电流在超导体制成的圆环中流动,电流可以流动一年而没有损失。人们通过对超导理论的研究,得到了对超导现象的深入认识。人们发现在超导体中,一些电子形成了特殊的电子对,因而使物体显示出超导性。 超导体可以有非常大的用途,这也是各国科学家努力研究超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗,用高温超导体材料加工的电缆,其载流能力是常用铜丝的1200倍;利用超导体可以形成强大的磁场,可以用来制造粒子加速器等,如用于磁悬浮列车,列车时速可达500千米;利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。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。 经过70多年的发展,超导材料达到的最高临界温度只有23.2K,没有脱开液氦温度,而液氦价格昂贵,冷却效率低,很难广泛使用,目前超导体只在一些尖端的设备上得到应用。 要让超导体得到应用就首先要有容易使用的超导体。人们现在正不断地寻找新的超导体,其主要方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料,即"高温超导体"(这里的高温是相对而言的)。20世纪80年代末,世界上掀起了寻找高温超导体的热潮,1986年出现氧化物超导体,其临界温度超过了125K,在这个温度区上,超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。此后,科学家们不懈努力,在高压状态下把临界温度提高到了164K。1998年中国科学家研制成功了第一根铋系高温超导输电电缆。这一成功极大地推进了中国高温超导技术的实用化进程。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、电子学应用和抗磁性应用。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。

1911年,荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现,将汞冷却到-268.98°C时,汞的电阻突然消失;后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后,人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。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。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流,从而产生超强磁场。 1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质,当金属处在超导状态时,这一超导体内的磁感兴强度为零,却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现: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,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。 后来人们还做过这样一个实验:在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体,然后把温度降低,使锡盘出现超导性,这时可以看到,小磁铁竟然离开锡盘表面,慢慢地飘起,悬空不动。 迈斯纳效应有着重要的意义,它可以用来判别物质是否具有超性。 为了使超导材料有实用性,人们开始了探索高温超导的历程,从1911年至1986年,超导温度由水银的4.2K提高到23.22K(OK=-273°C)。86年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30度,12月30日,又将这一纪录刷新为40.2K,87年1月升至43K,不久又升至46K和53K,2月15日发现了98K超导体,很快又发现了14°C下存在超导迹象,高温超导体取得了巨大突破,使超导技术走向大规模应用。 超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船,由于这些交通工具将在无磨擦状态下运行,这将大大提高它们的速度和安静性能。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验,1987年开始,日本国开始试运行,但经常出现失效现象,出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航,目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍,但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。 超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗,而利用超导体则可最大限度地降低损耗,但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段,从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展,新超导材料的不断涌现,超导输电的希望能在不久的将来得以实现。 现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态,但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

随着高技术的发展,导体在超低温状态电阻等于0的超导性能被发现。

在上个世纪末,美国科学家们就开始设想用超导体来推动船舶前进,曾做了试验模型而且获得了理想的推进效能。由于超导体电阻等于0,只须用很少的电能就能使导体产生足够的磁场,而电流在导体中又无损耗,因而用它来推进船舶将大大提高效益。超导电磁推进,不但可以提高航速,而且能减小震动和噪音,若潜水艇使用电磁推进,不但速度快而且更具有隐蔽性能,在战斗中不易被敌人发现,又有强大快速的攻击力。将来的货船和油船若用超导电磁推进在水下潜水航行,速度可提高到每小时30-40海里,即使海上风浪再大,也可以平稳地从水下准时到达目的地,从而实现真正意义上的定期航行。

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