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氦气知识介绍(六)

文字:[大][中][小] 2010-5-18    浏览次数:644    

液氦和超导电性密切相关。自从上世纪八十年代人们发现了在液氮沸点以上温区具有超导电性的物质,对超导电性的研究已不限于液氦温区,而更关注具有高温超导电性物质的研究与寻求。但是,在液氦温区发展的超导铌钛合金和铌锡化合物已制成实用超导体,它们已被作成超导磁体用于医疗和科学研究工程。这些超导磁体仍以液氦为低温介质。

原来,1908年氦气被液化后,1911年人们借助于液氦发现了超导电性。这是当时人们意料之外奇异现象。从此,超导电性研究成了十分活跃的课题。人们研究液氦沸点以下温区液氦时,发现了超流氦。超导电性和超流氦为低温物理研究提供了可贵的实验资料。在科学上,对液氦奇异性质的研究远超过液氦作为低温介质的重要性。

超导电性被发现后的几十年内,人们对它只是在科学殿堂论道。上世纪五十年代,超导电性才走出实验室,人们希望它为国计民生服务。上世纪八十年代,超导磁体开始用于大科学工程。由于氦资源稀缺和成本昂贵,人们寻求高温超导体的欲望十分强烈。以至在八十年代后期出现过涉及中学、小学、多数科研院所等部门的高温超导热潮。此间,人们发现了钡、钇、镁等一系列化合物在液氮沸点以上温区具有超导电性。高温超导电性的诱惑将长期吸引着科学家的兴趣。

当然,在近几年内,液氮温区的超导体不会取代液氦温区的超导体。铌钛合金从被作为实用超导电性材料到制成超导磁体经历了二十多年。超导铌锡化合物经历的时间更长。在这期间,人们要探索超导导体的制作工艺和超导磁体的制造方法及途径。

超导态和零电阻态是不同的物理概念。

作为低温介质的液氦的性质:

1个大气压下密度0.125公斤每升;

1个大气压下沸点4.2K;

临界温度5.2K;

临界压力0.23Mpa

临界密度0.07公斤每升;

汽化潜热20.4焦耳每克;

定压比热约为6焦耳每克。

以上所列液氦的热学性质数据都是超导磁体系统设计和液氦冷却操作技术所必需的。

当液氮作为致冷剂时,所需冷量主要是由液氮的潜热提供。液氮潜热与冷氮气的显热大约相当。当液氦作为致冷剂时,所需冷量除液氦潜热外要充分利用冷氦气的显热。4.2K 到77K氦气的显热是液氦潜热的近20倍,4.2K 到室温氦气的显热是液氦潜热的75倍。举例说,当把质量为1公斤的钢球丢到液氮中,采用不同途经耗散的液氮最大相差2倍。而同样的钢球丢到液氦中,采用不同途经耗散的液氦可相差几十倍。可见,将超导磁体系统从室温冷却至液氦温度,充分利氦气的显热可以大大减少液氦的耗损。同样,在输导液氦时,利用冷氦气的显热冷却输液管自身的技术也很重要。

液氦还有一个奇特性质是‘氦共振’。此现象在其他液体中没有。我们还没有看到对‘氦共振’现象作出的令人满意的解释。人们已经利用氦共振的现象作成氦液面计。氦共振液面计即是:在内径3至4毫米的薄壁管上部,焊有一个装有橡皮膜的漏斗状器件;当薄壁管下部触及液氦面时,橡皮膜出现频律为几十赫兹的振动,指示出液氦面的位置。另外,装有液氦的储存杜瓦被汽车运输时,人们一般感受不到液氦振荡。但是,人们偶然﹝发生几率为车运次数的几百分之一﹞会发现一次液氦在杜瓦内强烈振动。在汽车停走十分钟后,也不见振动减弱。这被疑似‘氦共振’。装有液氦的杜瓦发生疑似氦共振时,液氦的蒸发率约增加一至二倍,不会引发液氦剧烈蒸发。

当液氦内压力超过临界压力0.23Mpa   ﹝绝对压力﹞ 、温度在4.2 K 左右 时,它被称为超临界氦。超临界氦具有比液氦更好的流动性和热导性,它已被成功地用于超导托卡马克核聚变实验装置。

问 与 答

1、零电阻态和超导态相同吗?

不相同。

导体的电阻是导体的晶格热运动和晶格缺陷引起的,它随着导体的温度降低而连续降低,不会出现突变。导体电阻随温度降低的速率会因晶格缺陷而异。根据热力学第三定律,0 是永远不能逹到的;所以,正常态导体的永远不会是零电阻态。

相对正常态而言,超导态是一种新的物态。超导态是气态、液态、固态以外的物态。气、液、固三态以物质原子间互作用不同而产生。超导态与正常态以物质内电子间关联改变而差异。现在,我们从两方面说一下超导态。首先,正常态向超导态转变发生在一个确定的温度,物理学上称临界温度。转变过程中,导体与外界有能量交换。转变完成后,它的物理性质会发生改变。其次,超导态物质有完全的逆磁性。当某条磁力线企图穿透超导态物质时,物质内将产生一条大小相等、方向相反的磁力线与其抵消,使超导态物质内磁场永远为零。在物理图象看,这个过程是超导态物质在排出穿过自身的磁力线;磁力线发生崎变而绕过超导态物质。超导态物质的逆磁性更本质地反泱超导态。超导态物质从内部排出磁力线的现象被称为迈斯纳效应。因而,超导态也称为迈斯纳态。没有电阻是迈斯纳态的性质。

2、超导导体和普通导体比较怎样?

普通导体的截面一般是均匀的。普通导体之间的焊接熔焊即可。焊点的放置是随机的。工程上应用的超导导体都由几千根甚至上万根由有效线径为几微米的超导细丝构成的;这些细丝被均匀地崁在铜基导体中,而且,这些细丝之间还经过扭绞换位。这些超导导体的截面都是根据超导磁体设计要求制作的。超导导体之间一般是不能焊接的。一旦需要焊接,必须把焊点暴露在低温介质中,以便冷却。

3、超导导体承载电流的能力怎样?

超导态作为一个热力学物态,它由状态方程来描述。状态参数是磁场、温度、电流密度。各种超导材料都特定的临介磁场、临介温度。以作成超导导体的铌钛合金为例,它的临界温度是9.3K ;温度越低,它的载流能力越大。但是,超导磁体载流能力还受对应温度时的临界磁场的限制。在工程中,超导磁体失超就是超导体的温度上升导致它失去载流能力。


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