第9章 超导材料的应用

20世纪60年代，超导材料的应用研究逐步展开，并成功研制了超导磁体和超导量子干涉器件。到80年代中后期，高温超导研究的重大突破引发了超导大规模应用研究的热潮。由于超导电性在技术应用上具有不可替代性、巨大的应用前景和经济效益，因此，对超导材料特别是高温超导材料的研究引起了世界各国的普遍重视。

1.让电流畅通无阻

超导材料最直接的应用就是无电阻传输大电流。由于其载流密度约为常规导体的几百倍，因此，超导材料用于输变电电路可以使线路损耗从10％降到1％。利用这种高密度无电阻载流特性可以制造各种高均匀度磁体、高梯度磁体和超强磁体，其指标和能耗是常规技术所无法实现和比拟的，在能源、交通、医学、科学实验及科学工程、工业和国防上有着不可替代的作用。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载能力强、速度快的超导磁悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、质量轻的超导磁体。

超导体还可用于制造超导通信电缆。人们对通信电缆的主要要求是信号传递准确、迅速、容量大、重量轻，超导通信电缆正好能满足上述要求。因为超导通信电缆的电阻接近于零，允许用较小截面的电缆进行话路更多的通信，这样就可以降低通信电缆的自重，节约超导体材料。更重要的是超导通信电缆基本上没有信号的衰减，不论距离远近，接收方都能准确无误地收到发出方发出的信号，所以在线路上不必增设中间放大器，就能进行远距离通信。

用超导体制造雷达天线、导航天线、通信天线和电视天线，可使天线辐射效率增加几百倍以上，而天线的损耗电阻减小几个数量级；还可减少各种干扰信号，使天线发射和接收信号的能力大大提高。尤其重要的是，这将改变传统天线庞大、笨重的外观，做到小型化、轻型化，以满足军事上或其他的特殊需要。

2.超导发电机

将超导体做成线圈，由于它的零电阻特性，可在截面较小的线圈中，通以大电流，形成很强的磁场，这就是超导磁体。超导磁体的磁场强度可达15万～20万高斯，重量仅为数十千克，而用普通导线制成的电磁体要产生10万高斯的磁场就很困难了。

磁场强度为5万高斯的常规电磁体重达20吨，而达到同样的磁场强度的超导磁体重量还不到1千克。超导磁体的另一个优点是不产生热量，不消耗电能，只要通入一次电流就可以一劳永逸。超导磁体当然要把环境温度维持到超导临界温度以下，因此还是需要一定能量的。例如，美国制造了一台10万高斯的常规电磁体，耗电达1600千瓦，每分钟还要用4500升水冷却，而日本制造的一台17.5万高斯的超导磁体，总共耗电才15千瓦，其中13千瓦是冷却消耗。

超导磁体已成功地应用在制造超导发电机上。超导发电机的构造与常规的同步发电机大致相同。所不同的是，超导发电机的定子线圈和转子线圈都是用超导体制成的。转子一般由水轮机、汽轮机、内燃机等发动机带动，把直流电通入超导转子线圈后，由于转子线圈处于零电阻状态，故电流很大，从而形成一个很强的旋转磁场。超导定子线圈在这个转动的磁场中不断切割磁场线，产生电压、输出功率极大的电能。

常规的发电机最大输出功率很少超过150万千瓦，原因是转子线圈产生的磁场强度有限，而定子线圈中电流过大会导致严重发热，影响发电机正常工作。超导发电机比常规发电机输出功率提高了20倍以上，可超过2000万千瓦。

此外，超导发电机还能减少能量消耗，节约原材料，降低成本。例如，一台6000千瓦的常规发电机重370吨，同样功率的超导发电机仅重40吨，可以降低成本50％左右。

3.电能的储藏

用电单位对电力网的总输出功率的需求在时间上是不平衡的。一般来说，星期一是高峰，星期六、星期日及节假日和平常都有区别。即使在一天之内，如白天和夜晚，也是不稳定的。这种需求的波动使电力部门很伤脑筋，有时（如夜间）要白白扔掉很多电力，这就造成很大的浪费，其数量远大于输电线路上的损耗，据估计，高达总发电量的50％，即一半的能量将付之东流；有时（如白天）又难以提供充足的电力。最佳的解决办法就是有一种储存和调节手段，能够将用电低谷期电站正常转动发出的多余电力储存起来，移到用电高峰期再用。

然而，电力的直接储藏非常困难。能量储存和调节手段还有很多，其一是水泵水电储存，方法是把用电低谷时多余的电力用来驱动水泵，把低水位水库的水抽到高水位水库，用电高峰时再将高水位水库的水放到低水位水库，进行扬水发电，但这样也只能取得不超过50％的效率；其二是驱动气体，储存大量高压气体；另外一种方法就是利用大型蓄电池、电容器等储能方案。这些方法都有很多局限和不便之处，例如，蓄电池的充电和放电时间都很长，难以在短时间之内释放巨大的能量；电容器储能密度低，而且漏电和损耗较大。

相比之下，超导储能在技术上的魅力是难以抗拒的。

出于它可以得到高的电流密度和磁通密度，所以可以达到极高的能量密度，可以无损耗地贮存巨大的电能。另外，从经济角度而言，它可调节高低负荷，其效率可达90％以上，还可以改进电力系统的稳定性和提高自动频率控制，其优越性极为明显。

美国已经设计出一种大型超导磁能存储系统，采用NbTi 电缆和液氦冷却，储能环的半径为750米，埋在地下洞穴内。可储存5000兆瓦·小时的巨大电能（相当于4300吨TNT 炸药爆炸时产生的能量），充放电的功率为1000兆瓦，转换时间为几分之一秒，其效率达到98％（2％的损失是由于铜线输入输出造成的，若计交直流转换和制冷耗能，总效率为90％～95％）。

4.超导磁悬浮列车

目前在铁路上奔驰的火车的动力已经由原来的蒸汽机车变为电气机车，进而发展为高速列车，但其速度也只能提高到每小时280～300千米。估计要想在速度上再有更大的提高就有相当的困难，因为列车的车轮与铁轨之间的摩擦是无法消除的。此外，摩擦造成的噪音也使坐火车的人无法忍受。

人们幻想着列车的车轮与铁轨之间能脱离接触，这样既能克服摩擦，又提高列车行驶速度，还能使人们舒舒服服地旅行，那该多好啊！因此，人们提出了气垫和磁浮列车的设想。

所谓气垫列车是指像气垫船那样，靠强大的气流把列车悬浮在“铁轨”上。实际上，气垫列车要实现起来，困难是很大的。

磁浮列车则是利用迈斯纳效应。迈斯纳效应是指在磁场中，磁力线不能穿过超导体，而当超导体处于一块永久磁铁的上方时，超导体与磁铁之间会产生排斥力，超导体就会悬浮在磁铁的上方。

如果我们把列车和处在磁铁上方的超导体固定在一起，那么列车就会与超导体一起悬浮在磁铁的上方，列车在动力作用下将可以悬浮地、无摩擦地高速前进。

那么，这种列车是怎样悬浮起来的呢？原来，在每节车厢的底部都安装了超导磁体，在列车行进的路面上则埋有许多闭合的铝环。在超导磁体的线圈中通入电流就会产生很强的磁场。列车开动后，超导磁体相对于铝环运动，在铝环里感应出一股很大的电流，并相应形成极强的磁场，超导体的完全抗磁性使车上的超导磁体受到地面铝环的向上托力，车速愈快，托力愈大。当车速大于150千米/小时，托力大于列车自重，就使列车浮起。

当列车停下时，由于铝环中没有感应电流，也就不能产生磁场，所以在开车启动和减速停车时有一段时间仍需用车轮在轨道上运行。

1966年，美国首先提出制造超导磁悬浮列车的设想。

此后，美、英、日、德、瑞典等国家都进行了开发和研制。

目前日本、德国的超导磁悬浮列车已投入运行，时速高达500公里。乘坐这种列车，从上海到北京只需要2小时48分钟。中国于2002年在上海建成第一条磁悬浮线路并于2003年1月正式开始商业运营。

列车悬浮在空中飞奔，还存在空气的阻力。所以有人设想让列车在抽成真空的隧道里行进，这样将能大幅度地提高车速。到那时，人类的高速飞行将由高空转入地下。不久的将来，你就可以乘坐这种“飞”起来的火车去旅行了。

5.超导量子干涉器（SQUID）和它在生物医学领域的应用

利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。

用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探测深水下的潜水艇，放在卫星上可用于矿产资源普查，通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。

超导量子干涉器的用途十分广泛，这里主要讨论它在生物医学领域的应用。

（1）非接触测量。磁测量的探头可以不接触人体，因此，它可用于监视人体内的直流电效应，而在人体直流电压测量中常常可能被接触电势和表面电势所掩盖。

（2）反映人体内部的生物活动，给出某些电测量无法给出的人体内部信息。众所周知，磁场和电流有关。

通常人体和动物内部的体电流比皮肤上的要大一些，可以提供人体内部活动的直接指示，而不受引入介质中微弱电流的干扰。一旦人体内部组织有了损伤，就有称之为损伤电流的直流电通过，借助体外磁场测定，就能够检测出体内损伤电流，但从身体表面的电位测量却很难检测出这种电流。

（3）磁场测量还可以探测与人体电位无关的磁性变化，从而提供更多的医疗信息。既然生物磁如此重要，为什么生物磁的研究远远落后于生物电的研究呢？这是因为生物磁信号极其微弱，在10-10～10-15特斯拉的量级，还没有检测如此低磁场强度的检测手段。用超导量子干涉现象所制成的磁强计，就可以探测到10－13特斯拉的磁场变化，极大地促进了生物磁学的进程。

中国科学院心理研究所和中国民族学院首次利用超导量子干涉式二次梯度计对汉字认知进行了测试，脑磁图显示出人的大脑右半脑有较强的脑磁场波动，证明人的右半脑对于汉字认知来说具有语言功能，而左半脑磁场波动却不明显。该研究结果对大脑两半球语言功能的传统概念提出了挑战，这标志着我国在人类认识方面的研究进入了一个新阶段，并处于国际先进行列。可以预测，将来可以用生物磁超导技术研究针灸麻醉、时下流行的气功现象以及众说纷纭的人体特异功能，甚至有可能追踪微妙的大脑活动，得知人的思维，真正做到知人知面又知心了。

目前高温超导最现实的用途是超导磁屏蔽和超导转变的高Q 值微波谐振腔、超导高灵敏长波载线、超导高效率发射天线和红外探测器。这方面的技术已基本成熟，有望在卫星通讯、雷达技术、天文观测与科学研究上得到推广应用。