超導(dǎo)體的應(yīng)用

1、第六屆全國(guó)高中生高溫超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意 競(jìng)賽~~高溫超導(dǎo)相關(guān)知識(shí)(初級(jí)版),歡迎各位來(lái)自全國(guó)最優(yōu)秀的高中(職)生參與第六屆全國(guó)高中生超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽，初級(jí)版高溫超導(dǎo)相關(guān)知識(shí)教材提供參與競(jìng)賽的各位同學(xué)高溫超導(dǎo)相關(guān)的資料和知識(shí)，分成(1)原理、意義與觀念釐清篇;(2)應(yīng)用篇;(3)超導(dǎo)塊材篇和(4)實(shí)驗(yàn)安全篇(5)歷史篇等五大主題，詳加研讀與吸收後，相信能夠提昇各位對(duì)高溫超導(dǎo)的認(rèn)知與興趣!!,主旨:,指導(dǎo)單位：國(guó)科會(huì)/教育部主辦單位：吳茂昆院士

2、 中央研究院 物理所 陳引幹教授 國(guó)立成功大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)系 謝孟達(dá)教授 國(guó)立成功大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系 黃俊夫博士 國(guó)立科學(xué)工藝博物館 蕭述三教授 國(guó)立中央大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)系 于富雲(yún)教授 國(guó)立成功大學(xué) 教育研究所 游麗卿教授 國(guó)立臺(tái)南大學(xué) 教育學(xué)系 朱耀明教授

3、國(guó)立高雄師範(fàn)大學(xué) 工業(yè)科技教育學(xué)所 陳斐卿教授 國(guó)立中央大學(xué) 學(xué)習(xí)與教學(xué)研究所 參閱網(wǎng)站:www.HiTcWorld.org,導(dǎo)讀流程:,何謂高溫超導(dǎo)體?,超導(dǎo)歷史簡(jiǎn)介,高溫超導(dǎo)體2個(gè)特殊性質(zhì)與3個(gè)限制因素,,零場(chǎng)冷磁浮(影片觀賞),,(1)零電阻,(2)反磁效應(yīng),超導(dǎo)三大限制因素,,,“斜線”皆可請(qǐng)超連結(jié)進(jìn)入每個(gè)主題!!,場(chǎng)冷磁浮(影片觀賞),,,,,,

4、,第一類超導(dǎo),,,實(shí)驗(yàn)安全,超導(dǎo)塊材,超導(dǎo)應(yīng)用,,,,第二類超導(dǎo),原理、意義與觀念釐清篇(神奇的超導(dǎo)磁浮現(xiàn)象),超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-　　　　　　　初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇篇,,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,磁浮?,高溫超導(dǎo)?,磁懸浮?,,神奇的超導(dǎo)磁浮現(xiàn)象??,磁浮,磁懸浮,利用零場(chǎng)冷過(guò)程完成磁浮,(2)利用場(chǎng)冷過(guò)程完成磁浮,,,零場(chǎng)冷,場(chǎng)冷,,,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(1/10),( 吳茂昆博士常戲稱為 「姜

5、太公現(xiàn)象」 ),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,利用“零場(chǎng)冷過(guò)程”使磁鐵磁浮圖文說(shuō)明,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(2/10),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,回上頁(yè),利用“場(chǎng)冷過(guò)程”使磁鐵磁浮圖文說(shuō)明,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(3/10),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,回上頁(yè),超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(4/10),場(chǎng)冷比零場(chǎng)冷對(duì)超導(dǎo)體鎖磁效果好,除了冷卻的過(guò)程的差異之外，零場(chǎng)冷和場(chǎng)冷所引發(fā)的效果也不一樣。場(chǎng)

6、冷狀態(tài)下冷卻的超導(dǎo)體，磁力線分佈於超導(dǎo)體內(nèi)的對(duì)稱性與均勻性比較好；因而，它的磁鎖定效果、磁浮和懸浮穩(wěn)定性都比較好。由於在冷卻前，已有外加的磁場(chǎng)介入，磁力線在超導(dǎo)現(xiàn)象未產(chǎn)生時(shí)，就已經(jīng)穿透到超導(dǎo)體內(nèi)了；即使在降到臨界溫度以下，產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象時(shí)，穿透的磁力線會(huì)被均勻的釘扎在超導(dǎo)體內(nèi)的一些特殊的微結(jié)構(gòu)中，此時(shí)鎖磁效果較佳。,零場(chǎng)冷的鎖磁效果較差，因?yàn)樵诶鋮s前沒(méi)有外加的磁場(chǎng)介入，高溫超導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有釘扎的磁力線。在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，把磁場(chǎng)強(qiáng)加壓迫進(jìn)去，因?yàn)槌瑢?dǎo)

7、體有反磁力，磁場(chǎng)難以進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，只有少數(shù)磁束會(huì)被超導(dǎo)體內(nèi)特殊的微結(jié)構(gòu)釘扎住，所以在磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的過(guò)程中，必定不會(huì)像場(chǎng)冷過(guò)程般的穩(wěn)定、均勻，磁束能否順利的被釘扎住，與兩個(gè)因素有關(guān)，包括超導(dǎo)體與磁鐵距離的大小，還有超導(dǎo)體內(nèi)特殊的微結(jié)構(gòu)分佈。因此，一般而言，場(chǎng)冷過(guò)程的磁浮狀況都會(huì)比零場(chǎng)冷過(guò)程來(lái)的效果較佳。,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,兩個(gè)重要超導(dǎo)特殊性質(zhì),當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界溫度時(shí),超導(dǎo)的特質(zhì)之一是零電阻。一般的導(dǎo)體，電阻是因原子熱振動(dòng)或晶格缺陷等,阻礙電流

8、流動(dòng)所造成；但在超導(dǎo)狀態(tài)下，自旋相反的成對(duì)電子所組成的古柏偶對(duì)（Cooper pair），在傳導(dǎo)時(shí)不受晶格中離子的妨礙，因此形成零電阻現(xiàn)象，電流不會(huì)有所損耗,而成為永久電流.,(1) 零電阻,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(5/10),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,當(dāng)絕對(duì)溫度掉到4.2K時(shí)，汞的電阻值幾乎為零,,,,(2)完全反磁效應(yīng),超導(dǎo)體的內(nèi)部磁通量為零，磁力線無(wú)法進(jìn)入超導(dǎo)體，這個(gè)性質(zhì)又稱為「麥?zhǔn)磕切?yīng)（Meissner e

9、ffect）」。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的過(guò)程是： 當(dāng)超導(dǎo)體放入磁場(chǎng)中時(shí)，超導(dǎo)體和一般導(dǎo)體一樣會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而超導(dǎo)體的電阻為零，因此只要磁場(chǎng)存在，電流就能一直流動(dòng)，此電流即為「屏蔽電流」。屏蔽電流在超導(dǎo)體周圍產(chǎn)生與外部磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，因而阻擋外部磁場(chǎng)進(jìn)入(如右圖所示)。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(6/10),牛頓雜誌 56期 1988年 1月號(hào),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,第一類超導(dǎo)體(TypeI),Ref: 國(guó)立成功大學(xué)材料工

10、程學(xué)系 陳引幹教授 高溫超導(dǎo)材料與其磁浮上之應(yīng)用 http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/v27/609.doc,磁場(chǎng)不斷施加直到超過(guò)臨界磁場(chǎng)則磁力線穿過(guò)超導(dǎo)體,,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(7/10),TypeI 超導(dǎo)體:,外加磁場(chǎng)一旦超過(guò)超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)值，超導(dǎo)狀態(tài)便消失，讓所有外加磁場(chǎng)穿過(guò)。,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,回上頁(yè),第二類超導(dǎo)體(TypeII)

11、,Ref: 國(guó)立成功大學(xué)材料工程學(xué)系 陳引幹教授 高溫超導(dǎo)材料與其磁浮上之應(yīng)用 http://psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/v27/609.doc,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(8/10),TypeII 超導(dǎo)體:,有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)值(Bc1, Bc2)，當(dāng)外加磁場(chǎng)超過(guò)較低的一個(gè)(Bc1)，內(nèi)部 則有少數(shù)的地方不具超導(dǎo)特質(zhì)，使磁力線可以穿過(guò)。一直到外加磁場(chǎng)超過(guò)另一上限值(

12、Bc2)，超導(dǎo)態(tài)才消失，讓所有外加磁場(chǎng)穿過(guò)。,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,回上頁(yè),超導(dǎo)態(tài)乃未超過(guò)臨界磁場(chǎng)(Hc)、臨界電流密度(Jc)、(臨界溫度Tc)之內(nèi)部範(fàn)圍:,超導(dǎo)態(tài),超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(9/10),釔鋇銅氧(Y-Ba-Cu-O)超導(dǎo)體產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)的條件,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,,,,(X,Y,Z軸與紅色曲線包圍住 之範(fàn)圍區(qū)域?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài)),,,,,,,,,,,,不同種類超導(dǎo)體之三個(gè)限制因素範(fàn)圍示意圖,,Y-Ba-Cu-O

13、 三個(gè)限制因素所圍的範(fàn)圍最大,即超導(dǎo)性質(zhì)的應(yīng)用可較廣~,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之原理、意義與觀念釐清篇(10/10),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-　　　　　　　初級(jí)版教材之應(yīng)用篇,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,超導(dǎo)線材之應(yīng)用,製成超導(dǎo)線或帶,繞成線圈,導(dǎo)入電流,產(chǎn)生磁場(chǎng)用途: Power transmission 電力傳輸,NbTi 低溫超導(dǎo)線材,Bi系 高溫超導(dǎo)線材,超導(dǎo)線材相較於一般線材的不同在於沒(méi)有能量的消耗，因?yàn)槌瑢?dǎo)的零電阻特性，

14、電子在晶格中運(yùn)動(dòng)並不會(huì)與晶格碰撞產(chǎn)生熱能，也就不會(huì)有能量損耗的問(wèn)題出現(xiàn)！！,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(1/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,3 phases HTS transmission cable design高溫超導(dǎo)傳輸電纜的設(shè)計(jì),由於低溫的需求，超導(dǎo)線材必須有平行的液氮管道保持冷卻，液氮在定點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)循環(huán)，難免的，氣化的部分需要再進(jìn)行液化，這些困難都可以解決，但經(jīng)濟(jì)效應(yīng)大為減低！,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(2/15

15、),美國(guó)Underground System, Inc.,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,SC transmission Cable Exp超導(dǎo)電纜的測(cè)試,十萬(wàn)voltage的高壓電必須高架或是身埋地底，並以介電材料覆蓋，減少對(duì)環(huán)境安全的負(fù)面效應(yīng)。超導(dǎo)輸電線可用大電流、低電壓，沒(méi)有這方面的顧慮而且節(jié)省能源，有利於環(huán)保,參考: 何建民 低溫、超導(dǎo)、磁浮，臺(tái)灣書(shū)店印行 p.70 1996,,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(3/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)

16、磁鐵之應(yīng)用,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(4/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用----- (1)超導(dǎo)磁浮列車,磁浮列車的優(yōu)點(diǎn)：(1)省能源(2)低噪音(3)高速: (550 km/hr) 真空中(1600 km/hr),日本Yamanachi (山梨線) 磁浮列車,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(5/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,日本Yamanachi (山梨線) 超導(dǎo)磁浮列車-推進(jìn)原理:,,被安裝在軌道兩

17、旁牆上的推進(jìn)線圈是由變電所所提供之3相交變電流，產(chǎn)生變換的磁場(chǎng)，使得軌道兩旁之推進(jìn)線圈的電流一正一反不斷地流動(dòng)，車上裝設(shè)之超導(dǎo)磁鐵(低溫超導(dǎo)線圈)便會(huì)受到推進(jìn)線圈產(chǎn)生的變換磁場(chǎng)有著連續(xù)的吸引力與推進(jìn)力，速度的調(diào)整，則由可將電流做正反轉(zhuǎn)的周波數(shù)來(lái)決定，周波數(shù)的轉(zhuǎn)換，又由地上發(fā)電廠的周波數(shù)裝置來(lái)操作。,,,軌道兩旁牆上的推進(jìn)線圈,,超導(dǎo)磁鐵,,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(6/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,安裝在軌道旁之8字形線圈,當(dāng)裝有

18、超導(dǎo)磁鐵的車身以低於8字形線圈軸心位置快速通過(guò)時(shí)， 8字形線圈會(huì)因感應(yīng)出電流而成為一電磁鐵，此結(jié)果使得超導(dǎo)磁鐵會(huì)有一推力及拉力使之向上,所以車身便可磁浮起。,車體懸浮原理:,軌道之側(cè)向力:,軌道上的磁浮線圈面對(duì)面的連結(jié)而形成迴路，當(dāng)正在跑的磁浮車(也就是超導(dǎo)磁鐵)產(chǎn)生側(cè)向移動(dòng)時(shí)，迴路會(huì)感應(yīng)出電流，使得對(duì)於較靠近軌道的超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生推力，反之較遠(yuǎn)離軌道的超導(dǎo)磁鐵則產(chǎn)生吸引力，如此便能使磁浮車車身安全的位在軌道中心的位置。,http://ww

19、w.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(7/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用---(2)超導(dǎo)磁鐵在高能物理的應(yīng)用,http://www.fnal.gov,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(8/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用---(2)超導(dǎo)磁鐵在高能物理的應(yīng)用,國(guó)家同步輻射研究中心,http:/www.nsrrc.o

20、rg.tw,帶 電 粒 子 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 或 方 向 改 變 時(shí) 會(huì) 放 射 出 電 磁 波 。 當(dāng) 電 子 以 接 近 光 速 飛 行 ， 受 到 磁 場(chǎng) 的 作 用 而 發(fā) 生 偏 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 便 會(huì) 因 相 對(duì) 論 效 應(yīng) 沿 著 偏 轉(zhuǎn) 的 切 線 方 向 ， 放 射 出 薄 片 狀 的 電 磁 波 ， 這 就 是 「 同 步 輻 射光 」 。 由 注 射 器 產(chǎn) 生 之 電 子 經(jīng) 由 傳 輸 線 進(jìn) 入 儲(chǔ) 存 環(huán)

21、， 電 子 在 環(huán) 中 經(jīng) 過(guò) 偏 轉(zhuǎn) 磁 鐵 或 插 件 磁 鐵 會(huì) 放 射 出 同 步 輻 射 光 ， 同 步 輻 射 再 經(jīng) 過(guò) 光 束 線 到 達(dá) 實(shí) 驗(yàn) 站 ， 研 究 人 員 便 可 使 用 同 步 輻 射 光 進(jìn) 行 實(shí) 驗(yàn) 。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(9/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用 --- (3)超導(dǎo)馬達(dá)＆超導(dǎo)發(fā)電機(jī),超導(dǎo)體的研究開(kāi)發(fā)打開(kāi)了零電阻的大門，也同時(shí)使解決了電磁鐵在這方面的限制，人們利用

22、超導(dǎo)體製造新式的電磁鐵----超導(dǎo)磁鐵，只須幾百瓦的功率就可以製造出數(shù)萬(wàn)高斯的電磁鐵，所以十幾萬(wàn)高斯的電磁鐵，都已經(jīng)成為事實(shí)。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(10/15),Ref: J. Sakuraba, Sumitomo Heavy Industry, STEC J. Vol.7, No.2, 1994, P.3,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用 --- (4) 超導(dǎo)磁鐵在醫(yī)療上的應(yīng)用-NMR-CT,所謂核磁共振，是具有核磁矩的

23、物質(zhì)在一定的恆定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)同時(shí)作用下，會(huì)對(duì)變化的電磁場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收現(xiàn)象。利用高溫超導(dǎo)體製程的線圈可以通過(guò)極大的電流而產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場(chǎng)，可以比一般磁鐵高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，檢測(cè)的靈敏度取決於所加磁場(chǎng)的大小，磁場(chǎng)越大，氫的共振訊號(hào)越強(qiáng)得到的圖越清晰，從而提高早期診斷可能性。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(11/15),美國(guó)General Electric Medical System提供,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用 --- (5)

24、 Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)超導(dǎo)磁性儲(chǔ)能,1. 可長(zhǎng)期無(wú)損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%。2. 可通過(guò)採(cǎi)用電力電子器件的變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，回應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）。3. 由於其儲(chǔ)能量與功率調(diào)製系統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大範(fàn)圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)。4. 除了真空和製冷系統(tǒng)外沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，使用壽命長(zhǎng)。5. 在建造時(shí)不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡(jiǎn)單、污染小目前

25、美國(guó)、日本、德國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家在超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置方面的研究上投入了大量的人力和物力，並且有許多在建的超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置。,TcSUH Flywheel (朱唯幹教授) 德州超導(dǎo)中心製作的飛輪儲(chǔ)能,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(12/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,磁浮軸承與飛輪儲(chǔ)能 (Magnetic Levitation Bearing and Flywheel Energy Storage)----磁浮地球儀,,,鎖磁力 ，非接觸,將

26、超導(dǎo)體置入架上之容器中並倒入液態(tài)氮使之產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，強(qiáng)磁鐵和單晶粒Y–Ba–Cu–O超導(dǎo)塊材之間利用場(chǎng)冷過(guò)程可使磁鐵磁旋浮起並保持固定的距離，以及無(wú)接觸、無(wú)磨擦的磁懸浮特性。因此地球儀可以完全無(wú)接觸地懸掛在空氣中，並可以接近無(wú)摩擦、無(wú)接觸在空中旋轉(zhuǎn)(僅有與空氣之摩擦力)。,說(shuō)明:,,超導(dǎo)體放入此容器中,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(13/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,增加基地臺(tái)的覆蓋範(fàn) (Cellular phone base sta

27、tions coverage)減少基地臺(tái)數(shù)量 (more channels) 增進(jìn)通話品質(zhì)增長(zhǎng)手機(jī)使用時(shí)間減少不必要的電磁輻射,Advantages of HTS-filter (高溫超導(dǎo)濾波器優(yōu)點(diǎn)),HTS RF filter with Cryostat,超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下電阻為零，意味著超導(dǎo)體的熱噪音十分小，利用超導(dǎo)體做成的的濾波器，自然可以將前級(jí)放大器中的熱噪音消除，又不引入新的熱噪音，提高了訊噪比,優(yōu)點(diǎn):,說(shuō)明:,超導(dǎo)磁浮

28、創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(14/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)故障限流器(superconductor Fault Current Limiter),超導(dǎo)故障限流器（SFCL）是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，快速而有效地限制電力系統(tǒng)故障短路電流的一種電力設(shè)備。SFCL的工作原理是短路電流超過(guò)超導(dǎo)體的臨界電流，引起超導(dǎo)體失超，超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，限流器呈現(xiàn)很大阻抗，短路電流得以限制。SFCL具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 增大電力系

29、統(tǒng)的安全性和可靠性； 2. 提高電力質(zhì)量；3. 與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施相容；4. 減少電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力設(shè)備的更新以降低成本；5. 提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量。專家們預(yù)言，就超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用而言，最先得到實(shí)際應(yīng)用的將可能是超導(dǎo)限流器。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之應(yīng)用篇(15/15),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-　　　　　　　初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,,,,塊材,晶種,頂端

30、接種熔融成長(zhǎng)法(TSMG)----,,,TypeII 高溫超導(dǎo)塊材,競(jìng)賽使用之YBCO單晶塊材~,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇(1/7),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,1.高溫超導(dǎo)塊材製程,,長(zhǎng)晶熱處理過(guò)程,,原料,,壓成生胚,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇(2/7),,非超導(dǎo)相,,,液相,,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu):充氧前 Y1Ba2Cu3O6 立方晶結(jié)構(gòu)(非具超導(dǎo)相)充氧後 Y1Ba2Cu3O7 斜方晶結(jié)構(gòu) (具超導(dǎo)

31、相),,具斜方晶結(jié)構(gòu)之高溫超導(dǎo)體方可使用!!,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇(3/7),,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,Y-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖:,釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7)其晶格結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(Perovskite)(左圖)。,,,http://sunlab.phys.nthu.edu.tw/htc.html,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇(4/7),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)體的材料-- (超導(dǎo)體為金屬?

32、 合金? 高分子? 陶瓷?),(1) 傳統(tǒng)超導(dǎo)體(即低溫超導(dǎo)體): 多以合金為主，Tc較低。較常見(jiàn)的有Hg、Nb3Sn、Nb-Al-Ge 及其中Tc最高的Nb3Ge等,(2)高溫超導(dǎo)體: 1986年發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體，不同於以往的金屬或合金， 它實(shí)際上是一種陶瓷。為氧化物，且多為含銅之氧化 物，Tc較高。,例: Nb3Ge,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇(5/7),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,高溫超導(dǎo)氧化物

33、的不同形態(tài)性質(zhì)的差異：,,臨界磁場(chǎng),大,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超導(dǎo)塊材篇(6/7),說(shuō)明:,,不同形態(tài)性質(zhì)的高溫超導(dǎo)氧化物其內(nèi)部臨界電流以(1)超導(dǎo)薄膜 (HTS Thin Film)最佳, (2)超導(dǎo)單晶粒塊材(HTS Single Crystal Bulk次之,(3)超導(dǎo)多晶粒塊材(HTS Poly crystal Bulk )則為最差,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,不同磁浮力大小與不同超導(dǎo)塊材性質(zhì)有關(guān)!!,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之超

34、導(dǎo)塊材篇(7/7),磁磁能力的表現(xiàn)上:,(A)超導(dǎo)單晶粒塊材 直徑2.5 cm x 厚度0.5 cm (B)超導(dǎo)單晶粒塊材 直徑1.9 cm x 厚度0.1 cm(c)超導(dǎo)多晶粒塊材 晶粒方向不一,平均晶粒~0.5 cm(D)超導(dǎo)多晶燒結(jié)塊材晶粒方向不一,平均晶粒~0.05 cm,超導(dǎo)單晶粒塊材(B),(A)>(B)>(c)>(D),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-　　　　　　初級(jí)版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇,返

35、回導(dǎo)讀頁(yè)面,,磁鐵使用(1)~,(a)鈮鐵硼磁鐵有高磁場(chǎng)(為鈮鐵硼稀土材料、較一般鐵、鈷、鎳材料組成的磁鐵磁力來(lái)得強(qiáng))，具磁性之物體或易 被消磁之卡片勿靠近，如信用卡、提款卡、手錶、手機(jī)、硬碟。 (b)磁鐵強(qiáng)度在表面處約為2000~2500(gauss) ，鐵磁物品需遠(yuǎn)離強(qiáng)力磁鐵，避免周遭物品以相當(dāng)?shù)乃俣缺晃?，人員如在附近可能有危險(xiǎn)。(c)強(qiáng)力磁鐵應(yīng)遠(yuǎn)離鐵磁性尖銳物，如鐵釘。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇(1/4

36、),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,(d)應(yīng)置放強(qiáng)力磁鐵於收納盒內(nèi)，可包裹厚絕緣層（報(bào)紙、保麗龍或珍珠板），以避免周遭磁性物體的吸附。(e)使用磁鐵時(shí)，應(yīng)戴著手套，以防止夾傷。磁鐵置放區(qū)要標(biāo)示清楚(將數(shù)片磁鐵推疊在一起、磁鐵強(qiáng)度會(huì)增加，但並非是累加的效果 )。(f)使用磁鐵時(shí)，應(yīng)於周圍設(shè)立警戒區(qū)，告知強(qiáng)力磁鐵之危險(xiǎn)性。(g)高磁場(chǎng)會(huì)引起心律調(diào)整器或是醫(yī)學(xué)植入裝置故障，需標(biāo)明邊緣磁場(chǎng)範(fàn)圍，限定特定的人進(jìn)入範(fàn)圍。,磁鐵使用(2)~,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-

37、初級(jí)版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇(2/4),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,液態(tài)氮使用~,(a)液態(tài)氮汽化是正?，F(xiàn)象，所以將之舀至保溫杯後，切勿旋緊保溫杯蓋，以免氣體壓力過(guò)大，引起氣爆，發(fā)生危險(xiǎn)。(b)液態(tài)氮為低溫液體，溫度為 –196 °C（77K)，為避免低溫涷傷，請(qǐng)小心使用，不能直接觸摸，建議老師從旁指導(dǎo)。(c)不要拿金屬等導(dǎo)熱良好的物體，直接浸入液態(tài)氮，皮膚可能會(huì)因”黏住”而凍傷。(d)請(qǐng)不要在密敝的空間下，長(zhǎng)時(shí)間使用液態(tài)氮,以防止過(guò)多揮發(fā)

38、的氮?dú)庠斐芍舷⒌奈ｋU(xiǎn)。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇(3/4),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)塊材使用~,高溫超導(dǎo)塊材為本實(shí)驗(yàn)室費(fèi)時(shí)耗力生產(chǎn)，其得之不易，請(qǐng)同學(xué)們要注意以下事項(xiàng)：(1)YBCO超導(dǎo)塊材為一陶瓷材料，此材料易脆，使用時(shí)請(qǐng)小心，勿掉落造成塊材的損壞、破裂。(2)YBCO超導(dǎo)塊材易受水氣侵蝕而裂化，故在使用完時(shí)請(qǐng)盡速利用純度高的酒精浸泡後,再用吹風(fēng)機(jī)吹乾，以增加超導(dǎo)塊材的使用壽命。,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之實(shí)驗(yàn)安全

39、篇(4/4),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-　　　　　　　初級(jí)版教材之歷史篇,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(1/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(2/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(3/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(4/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,BCS理論: 美國(guó)巴丁(John Bardeen) 柯伯(Leon N. Coop

40、er) 施里弗(John R. Schrieffer) 三人為了解超導(dǎo)材料的性狀而創(chuàng)立的的一種綜合性理論,(BCS即為三人姓氏字母構(gòu)成) 。 當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到低於臨界零度時(shí),其電阻會(huì)消失,柯伯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體中電子都集結(jié)成對(duì),也因此命名為「柯伯對(duì)」超導(dǎo)體中全部的柯伯對(duì)運(yùn)動(dòng)都是相關(guān)的,,1957年,J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論：BCS理論,~資料整理自大英百科全

41、書(shū)~,重要?dú)v史紀(jì)事(1):,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(7/13),零電阻產(chǎn)生的原因,返回導(dǎo)讀頁(yè)面,1957年, Alexei Abrkosov研究超導(dǎo)體在外加磁場(chǎng)下的行為發(fā)現(xiàn)兩種不同性質(zhì)，將其分類為第一類和第二類超導(dǎo)體(Type-I and Type II Superconductor)。預(yù)測(cè)第二類超導(dǎo)體於高磁場(chǎng)下其磁通束以三角晶格排列的點(diǎn)陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)),Alexei A. Abriko

42、sov美國(guó)國(guó)家阿崗實(shí)驗(yàn)室,諾貝爾物理獎(jiǎng),重要?dú)v史紀(jì)事(2):,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(8/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,在1986年超導(dǎo)物理經(jīng)過(guò)一個(gè)新革命. Muller和Bednorz發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)“高溫超導(dǎo)體”La-Ba-Cu-O.科學(xué)家花了六十多年的時(shí)間把低溫超導(dǎo)體的臨界溫度 (critical temperature，Tc)提高20K(絕對(duì)溫度)左右﹐但令人震驚的在一年以內(nèi)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體的臨界溫度從三30K提高到10

43、0K左右。,IBM公司的研究員Muller和Bednorz,1986年,第一個(gè)高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn):鑭鋇銅氧(La-Ba-Cu-O)的化合物,重要?dú)v史紀(jì)事(3):,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(9/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,1987年,朱經(jīng)武和吳茂昆發(fā)現(xiàn)第一個(gè)高於液態(tài)氮的超導(dǎo)體 YBa2Cu3O7-δ ，Tc~92K,液態(tài)氮溫度以上(>77K)高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì),重要?dú)v史紀(jì)事(4):,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(10/13

44、),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,◎第一個(gè)研究超導(dǎo)的中國(guó)人：李國(guó)鼎先生,1934 ,考取中英庚款留英公費(fèi)，赴英入劍橋大學(xué)物理研究所，作貝他及迦瑪放射線研究。1936,從事極低溫超導(dǎo)研究。,生平記事:,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(11/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,◎高溫超導(dǎo)臨界溫度(critical temperature ，Tc)的歷史,汞系超導(dǎo),鉈系超導(dǎo),鉍系超導(dǎo),釔系超導(dǎo),,,,,描述超導(dǎo)體時(shí)，一個(gè)重要指標(biāo)是「臨界溫度」（critical te

45、mperature, Tc），這是指當(dāng)逐漸升高到某個(gè)溫度時(shí)，超導(dǎo)材料的超導(dǎo)現(xiàn)象會(huì)突然消失，這個(gè)溫度即是此材料的超導(dǎo)臨界溫度。也就是說(shuō)超導(dǎo)現(xiàn)象只有在溫度低於Tc時(shí)才出現(xiàn)，高於此溫度則轉(zhuǎn)變成電阻不為零的正常態(tài)。,何謂臨界溫度??,不同系列銅氧化合物高溫超導(dǎo)體之臨界溫度一覽表,超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競(jìng)賽-初級(jí)版教材之歷史篇(12/13),返回導(dǎo)讀頁(yè)面,◎超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的歷史,,吳茂昆,,,Y-Ba-Cu-O 的發(fā)現(xiàn)非常重要，因?yàn)?90K 溫度高於液態(tài)氮的