超导材料-【跨学科实践】2024-2025学年初中物理项目化课程案例

超导材料 2O23 1 2 √ 1908年荷兰Leiden大学Onnes小组将He成功液化； √ 1911年发现Hg的电阻在4.2K（零下269度）下消失； √此性质被命名为超导性； 超导材料——传奇的开始 3 √ 1933年Meissner发现完全抗磁性； √ 超导体内没有磁通穿过，磁感应强度恒为0； √ 只有同时具备零电阻性和完全抗磁性才可以称为超导体； 超导材料——另一个传奇 4 超导的足迹 5 √ 爱因斯坦于1924年发现波色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein）； 超导足迹——早期探索者 √ London兄弟建立了超导电动力学方程； √ 成功地解释了超导体一系列奇特的电磁性质； √ Landau号称世界上最后一个全能的物理学家； √ 提出了超导电性混合态理论； 5 6 √ 1957年，Bardeen, Cooper和Shrieffer将超导视为宏观量子效应，提出BCS理论； √ 成为超导机理第一个成功解释； 超导足迹——理论的春天 1972年得诺奖，老中青三结合的典范。巴丁教授两次拿物理学家（半导体三极管，BCS理论）。赵忠贤教授问他：努力、合作、机遇。 6 7 √ 1973年，因预言隧道超导电流而获得诺贝尔奖（时年33岁）； 超导足迹——理论的进展 √ Abrikosov发现超导和强磁场可同时存在； √ 指出了第二类超导体的存在； 8 √ 1986年，Muller和Bednorz发现了陶瓷超导体（36K）； √ 1987年，朱经武和赵忠贤发现了YBa2Cu3O7-高温超导，TC达到90K因预言隧道超导电流而获得诺贝尔奖（时年33岁）； 超导足迹——陶瓷也疯狂 Muller Bednorz 1987年 到目前为止：8人5次在超导方面获得诺贝尔物理学家还有至少两块物理学家悬而未决：铜氧化物的超导机理；新型超导材料的发现 10 超导应用 电磁武器等 心脑磁图、医用加速器等 大型粒子加速器、对撞机等 磁悬浮车、电磁推进系统、升降机等 SOUID、低噪声前端放大器、滤波器等 超导电机、输电电缆、变压器、储能飞轮等 11 超导应用——分类 1.强电应用（高压）→线圈 √可控核聚变，超导磁体，超导储能，超导限流器，超导变压器，超导发电机，超导电动机，超导磁流体推进器，超导输电； 2.弱点应用（低压）→芯片 √ 超导SQUID器件（大地矿产探测，深海潜艇探测，心脏和大脑磁谱仪），超导滤波器（民用通讯基站，卫星返回通讯），军工领域等→悬浮 3.抗磁应用 √ 磁悬浮磁浮列车，磁悬浮重力仪 12 超导应用-强电-MRI √ 超导磁体最贴近日常的应用是核磁共振长像技术（MRI）； √ MRI可分辨早期肿瘤细胞等，还可做心电图、脑磁图、肺磁图、脑血流图（功能核磁共振成像）； √ 3T：正被全面引入医院；9.4T：已有第一个人体全身MRI模型系统；11T：已有MRI模型，正在用于动物试验和研究领域； T:万高斯 12 13 超导应用-强电-MRI MRI磁场提高——生命的奥秘 √ 介观尺寸人体结构的观测 √ 非氢元素的代谢和分布 14 超导应用-强电-NMR √ 由超导磁体制成的核磁共振仪（NMR）广泛运用在化学、石油以及生物领域； √ 美国国家高磁场实验室的900MHz的NMR分辨率可以达到0.5ppb（十亿分之0.5） 15 超导应用-强电-储能 √ 用超导线圈将电能以磁能储存起来，需要时再将磁能返回电网中； √ 2020年全球超导储能市场的预期为20亿美元左右； 德国ITP研制的200KJ/160KW超导储能装置 华中科大和西北有色院合作研发的35KJ/7KW超导储能装置 16 超导应用-强电-限流器 √ 超导限流器反应时间快，功率损失小，自动触发及复位； √ 2008年，35kV限流器在普吉实现并网，世界首次真正经受电网短路冲击； √ 2012年，世界首台220kV限流器，在石各庄变电站挂网； √ 2020年国内超导限流器潜在市场规模在1700-2800亿元； 17 超导应用-强电-变压器 √ 超导变压器可消除传统变压器中的铜损耗（90%），同容量下超体积小40~60%； √ 1998年，世界上首个超导变压器在瑞士日内瓦进行并网测试； √ 2005年，中国超导变压器实现并网，负载损耗为同容量传统变压器的4.5%； 18 超导应用-强电-电动机 √ 仅有传统25%的体积和30%的重量，并有更高的效率； √ 2012年，中国船舶重工集团公司成功研制出国内首台1MW高温超导电动机，标志我国成为国际上少数几个掌握高温超导电机关键技术的国家之一； 19 超导应用-强电-发电机 √ 超导磁流体推进器由于没有电动机和螺旋桨，可以实现高速，高效，零噪音航行； √ 2014年，中国“洛神”潜艇进入试车定形阶段，理论航速100节； 日本Yamato（大和）-I超导电磁动力船 中国超导磁流体“洛神”潜艇 美国“海影”号超导体电磁推进舰艇 20 超导应用-强电-输电 与常规输电比，超导输电有以下优点： √ 损耗低，总损耗可降到常规的25%~50%； √ 容量大：是普通输电的2~10倍； √ 体积小，可利用现有的基础设施； √ 系统灵活，通过降低温度可增加容量； √ 超导能源管道 21 超导应用-弱电-SQUID √ 超导量子干涉器（SQUID）可分辨相当于十亿分一的地磁场变化； √ SQUID广泛用于基础科学研究、生物磁（脑磁、心磁）、无损探伤及大地电磁测量等领域； 22 超导应用-强电-发电机 √ 超导薄膜制成的滤波器信号损耗少，接收灵敏度大，抗干扰能力强； √ 2010年，移动将超导滤波器投入使用，标志着我国成为第二个拥有自主知识产权并实现了超导滤波器在移动通信中应用的国家； CDMA移动通信基站的高温超导滤波器系统 23 抗磁应用 24 抗磁应用 √ 磁悬浮列车通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮； √ 日本的超导磁悬浮列车时速已达603公里，为世界最高记录； √ 2000年12月，西南交通大学研制出了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车——“世纪号”，时速最高可达200公里； 25 超导应用-强电-发电机 √ 真空磁悬浮列车是指在真空管中行进的磁悬浮列车，完全消除所有阻力； √ 真空磁悬浮列车具有耗能小、无噪音、车体轻等优点； √ 真空悬浮列车的理论速度可以达到6500~10000km/h（高铁350，喷气式客机900，协和式超音速客机2400） Thanks 26 $$