專題應(yīng)用超導(dǎo)材料第1頁(yè)/共52頁(yè)超導(dǎo)材料主要內(nèi)容零電阻現(xiàn)象1完全抗磁性－邁斯納效應(yīng)2產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因－BCS理論3超導(dǎo)臨界條件4第一類和第二類超導(dǎo)體5超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史6超導(dǎo)材料的應(yīng)用7第2頁(yè)/共52頁(yè)23451本節(jié)需掌握的重點(diǎn)

超導(dǎo)體兩個(gè)基本特征：零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)；超導(dǎo)體零電阻和完全抗磁性的原因；超導(dǎo)體的三個(gè)臨界條件；超導(dǎo)體的兩種基本類型；超導(dǎo)體的主要應(yīng)用。第3頁(yè)/共52頁(yè)1.4.1.零電阻現(xiàn)象常規(guī)導(dǎo)體電阻的成因：

常規(guī)導(dǎo)體在傳輸電流時(shí)，電子會(huì)與導(dǎo)體原子組成的晶體點(diǎn)陣發(fā)生相互作用，將能量傳遞給晶格原子，晶格原子振動(dòng)產(chǎn)生熱量，造成電能的損失。常規(guī)導(dǎo)體電阻的負(fù)面作用：電力傳輸中電阻發(fā)熱，浪費(fèi)資源，增加用電成本；第4頁(yè)/共52頁(yè)超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1.4.1.零電阻現(xiàn)象1911年荷蘭的卡茂林·昂尼斯教授用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導(dǎo)線（-40℃），并將溫度降低到－269℃左右時(shí)，水銀導(dǎo)線的電阻突然完全消失，首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。第5頁(yè)/共52頁(yè)邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：

1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度H總為零，即具有完全抗磁性，這種現(xiàn)象就稱為邁斯納效應(yīng)。1.4.2.邁斯納效應(yīng)第6頁(yè)/共52頁(yè)完全抗磁性的原因1.4.2.邁斯納效應(yīng)常規(guī)導(dǎo)體NorthSouth超導(dǎo)體NorthSouth

外加磁場(chǎng)使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零。第7頁(yè)/共52頁(yè)

零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)現(xiàn)象的必要條件，

但是電阻為零叫理想導(dǎo)體≠超導(dǎo)體。

零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導(dǎo)體兩

個(gè)最基本，而且互相獨(dú)立的屬性。只有同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性才能稱為超導(dǎo)體。1.4.2.邁斯納效應(yīng)第8頁(yè)/共52頁(yè)1.4.2.邁斯納效應(yīng)

北京有色金屬研究總院研制的超導(dǎo)材料顯示的邁斯納效應(yīng)第9頁(yè)/共52頁(yè)1.4.3.超導(dǎo)隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)：

電子具有穿過(guò)比其自身能量還要高的勢(shì)壘的本領(lǐng)。當(dāng)然，穿透幾率隨勢(shì)壘的高度和寬度的增加而迅速減小。例如：在兩塊常規(guī)導(dǎo)體Al中間夾入一層很薄的勢(shì)壘（10-10m的絕緣層），在兩塊Al之間加上電勢(shì)差，就有電流流過(guò)絕緣層，該電流是有電阻的，這是正常導(dǎo)體的量子隧道效應(yīng)。第10頁(yè)/共52頁(yè)約瑟夫森預(yù)言

1962年，劍橋大學(xué)的博士后在極薄絕緣層（厚度約為1nm）隔開(kāi)的兩個(gè)超導(dǎo)體斷面處，電流可以穿過(guò)絕緣層。只要電流不超過(guò)某一臨界值，則電流穿過(guò)絕緣層時(shí)將不產(chǎn)生電壓，該電流是沒(méi)有電阻的，稱為超導(dǎo)隧道電流。超導(dǎo)隧道電流與庫(kù)柏電子對(duì)相關(guān)，且電子對(duì)穿越勢(shì)壘后仍保持為配對(duì)形式，這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象稱為約瑟夫森效應(yīng)。1.4.3.超導(dǎo)隧道效應(yīng)第11頁(yè)/共52頁(yè)1.4.4.產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因當(dāng)在超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，通過(guò)晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接作用使電子之間產(chǎn)生某種吸引力，克服庫(kù)倫排斥從而導(dǎo)致自由電子將不再無(wú)序地“單獨(dú)行動(dòng)”，并形成“電子對(duì)”。BCS理論：BCS理論不能解釋30K以上的超導(dǎo)現(xiàn)象，特別是高溫超導(dǎo)。第12頁(yè)/共52頁(yè)電子對(duì)概念當(dāng)溫度T<Tc時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)存在大量的庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)中的兩個(gè)電子動(dòng)量與自旋均等值相反，每一庫(kù)珀對(duì)的動(dòng)量之和為零。

在外電場(chǎng)作用下，所有這些庫(kù)珀對(duì)都獲得相同的動(dòng)量，朝同一方向運(yùn)動(dòng)，不會(huì)受到晶格的任何阻礙，形成幾乎沒(méi)有電阻的超導(dǎo)電流。當(dāng)T>Tc時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使庫(kù)珀對(duì)被拆散為正常電子，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。第13頁(yè)/共52頁(yè)1.4.4.產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因聲子的交互作用使得庫(kù)倫排斥的兩個(gè)電子產(chǎn)生吸引形成電子對(duì)。兩個(gè)電子組成電子對(duì)后，其中一個(gè)即使受到晶格振動(dòng)或雜質(zhì)的阻礙，另一個(gè)電子也會(huì)起調(diào)節(jié)作用，使電子通路不受影響，從而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。第14頁(yè)/共52頁(yè)第15頁(yè)/共52頁(yè)溫度對(duì)超導(dǎo)電性的影響：溫度愈低，結(jié)成的電子對(duì)愈多，電子對(duì)的結(jié)合愈牢固，超導(dǎo)電性越顯著。溫度越高，電子對(duì)因受熱運(yùn)動(dòng)的影響而遭到破壞，就失去了超導(dǎo)性。

1.4.4.產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因第16頁(yè)/共52頁(yè)BCSTheory(1957)解釋了超導(dǎo)電性現(xiàn)象的本質(zhì)Bardeen,Cooper,Schrieffer分享了1972年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)1.4.4.產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因第17頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件溫度T<臨界溫度Tc磁場(chǎng)強(qiáng)度H<臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc

在溫度低于Tc，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度H>Hc的磁場(chǎng)作用

于超導(dǎo)體時(shí)，磁力線將穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)態(tài)被破

壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)。電流密度J<臨界電流密度Jc

同時(shí),電流密度產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加磁場(chǎng)的矢量和應(yīng)小于臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc。電流強(qiáng)度I－單位時(shí)間通過(guò)某截面電荷的量；電流密度J－單位面積上通過(guò)的電流強(qiáng)度；注意區(qū)分：第18頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界參數(shù)之間的關(guān)系三個(gè)性能指標(biāo)，相互制約；一般來(lái)說(shuō)，指標(biāo)越高越好。Jc第19頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界溫度Tc超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度；即電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度。由于組織結(jié)構(gòu)不同，超導(dǎo)臨界溫度不是一個(gè)特定的數(shù)值，而是跨越一個(gè)溫度區(qū)域；因此實(shí)際超導(dǎo)材料的臨界溫度用四個(gè)參數(shù)表征。第20頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件實(shí)際超導(dǎo)材料的臨界溫度參數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)零電阻溫度Tc(R=0)轉(zhuǎn)變溫度寬度ΔTc中間臨界溫度Tc(mid)第21頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc對(duì)于超導(dǎo)體，當(dāng)外加磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)破壞其超導(dǎo)性；破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小的磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為

超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。第22頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度為溫度的函數(shù)，表達(dá)式為：Hc0為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)；THcHc0Tc0第23頁(yè)/共52頁(yè)1.4.5.超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界電流Jc破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小電流密度;

J=I/A,單位A/m2超導(dǎo)臨界電流與臨界溫度的關(guān)系：第24頁(yè)/共52頁(yè)1.4.6.第I類和第II類超導(dǎo)體第I類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc；

當(dāng)H<Hc時(shí)，超導(dǎo)態(tài)；當(dāng)H>Hc時(shí)，正常態(tài)。常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、錫等;熔點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”；臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)較低，沒(méi)有很好的實(shí)用價(jià)值。第25頁(yè)/共52頁(yè)第II類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)當(dāng)H<Hc1時(shí)，零電阻且完全禁止磁場(chǎng)線進(jìn)入,邁斯納態(tài)。當(dāng)

Hc1<

H<Hc2時(shí)，混合態(tài)。零電阻，磁場(chǎng)線部份穿過(guò)。當(dāng)H>Hc2時(shí)，正常態(tài)。釩、鈮、鉭和大多數(shù)超導(dǎo)合金及超導(dǎo)化合物。第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更高的臨界參數(shù)。1.4.6.第I類和第II類超導(dǎo)體第26頁(yè)/共52頁(yè)1.4.7.金屬超導(dǎo)材料的類型金屬元素超導(dǎo)體：合金超導(dǎo)體：金屬化合物超導(dǎo)體：除釩、鈮、鉭大多數(shù)金屬元素都是第I類超導(dǎo)體；釩、鈮、鉭為第II類超導(dǎo)體。絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體；絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體；第27頁(yè)/共52頁(yè)1.4.7.金屬超導(dǎo)材料的類型金屬元素超導(dǎo)體

常壓下有28種超導(dǎo)金屬元素，超導(dǎo)臨界溫度Tc排行為：鈮——9.24K；锝——7.8K鉛——7.197K

鑭——6.06K

釩——5.4K

鉭——4.47K

常壓下不表現(xiàn)超導(dǎo)性的金屬元素，高壓下可能呈現(xiàn)超導(dǎo)性。第28頁(yè)/共52頁(yè)1.4.7.金屬超導(dǎo)材料的類型合金超導(dǎo)體－成本低、便于大量生產(chǎn)

Ni-Ti合金

目前使用最廣泛的合金超導(dǎo)材料；制造技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，成本低；用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體的理想材料；

Ni-Zr合金

最早使用的合金超導(dǎo)材料；具有低磁場(chǎng)，高電流的優(yōu)點(diǎn)；高磁場(chǎng)下能夠承受很大的臨界電流；制造成本較高，逐漸被Ni－Ti合金取代。兩類常見(jiàn)的超導(dǎo)合金為：第29頁(yè)/共52頁(yè)1.4.7.金屬超導(dǎo)材料的類型金屬化合物超導(dǎo)體三個(gè)臨界參量(Tc,Hc,Jc)均較高，是性能良好的強(qiáng)磁場(chǎng)材料。具有代表性的為Nb3Sn超導(dǎo)化合物，是制造8.0~15.0T超導(dǎo)磁體的主要材料。第30頁(yè)/共52頁(yè)0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-135oC=138KCurrentHighTemperatureSuperconductors77KNitrogenliquifies4KHeliumliquifies1.4.8.超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史第31頁(yè)/共52頁(yè)1.4.8.超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1911年，Hg，Tc＝4.2K1911-20年代，24種純金屬，(Nb，Tc＝9.13K)1952,硅化釩，Tc=17K1957年，BCS理論1960，第II類超導(dǎo)體鈮錫合金1973年，Nb3Ge，Tc＝23.2K1987年，Y-Ba-Cu-O，Tc>90K，超過(guò)液氮溫度77K1993年，Hg-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高壓下164K)第32頁(yè)/共52頁(yè)1.4.8.超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史超導(dǎo)材料的發(fā)展及其臨界溫度第33頁(yè)/共52頁(yè)釔鋇銅氧化物（YBa2Cu3O7-x)超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)材料的例子1987年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，Tc>90K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問(wèn)題。第34頁(yè)/共52頁(yè)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室采用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體，使臨界電流密度提高了100倍，達(dá)6×10５A(chǔ)/cm2，美國(guó)馬薩諸薩理工學(xué)院用在超導(dǎo)材料中摻入銀等加熱處理的方法，解決了材料的脆弱問(wèn)題，使強(qiáng)度比超導(dǎo)陶瓷提高了10倍，適用于作輸電線.我國(guó)則早已制成零電阻為83．7K的超導(dǎo)材料和零電阻為77K的超導(dǎo)薄膜.高溫超導(dǎo)材料的例子第35頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用零電阻效應(yīng)完全抗磁性超導(dǎo)隧道效應(yīng)第36頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)電力傳輸(零電阻的應(yīng)用）超導(dǎo)輸電電纜：

將超導(dǎo)電纜放于液氦冷卻介質(zhì)管道內(nèi)，保證整條輸電線路在超導(dǎo)狀態(tài)下運(yùn)行。超導(dǎo)電力傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：超導(dǎo)輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍,電能消耗僅為所輸送電能的萬(wàn)分之幾。傳統(tǒng)輸電需要高壓，因而有升壓，降壓設(shè)備。用超導(dǎo)線就不需要升壓降壓設(shè)備。重量輕、體積小，輸送大功率的超導(dǎo)傳輸線可鋪設(shè)在地下管道內(nèi)，從而省去了許多傳輸線的架設(shè)鐵塔。

第37頁(yè)/共52頁(yè)從內(nèi)到外，依次為：

管狀支撐物（內(nèi)通液氮）；

超導(dǎo)導(dǎo)體層（為電纜載流導(dǎo)體）；

電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）；

超導(dǎo)屏蔽層（為超導(dǎo)帶材繞制）；

液氮回流層（與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成液氮回流循環(huán)）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似）。1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用第38頁(yè)/共52頁(yè)2004年4月19日在昆明普吉變電站投入運(yùn)行，7月10日正式并網(wǎng)，是我國(guó)第一組、世界上第三組并網(wǎng)試運(yùn)行的超導(dǎo)電纜。1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用第39頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)（強(qiáng)磁場(chǎng)的應(yīng)用）在超導(dǎo)體截面較小的線圈通以大電流，形成強(qiáng)磁場(chǎng)，這就是超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)強(qiáng)度大：磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)20萬(wàn)高斯，常規(guī)磁體最高10萬(wàn)高斯。耗電少：不產(chǎn)生熱量，除維持低溫外不消耗電能，通入一次電流就可以一勞永逸。重量輕：5萬(wàn)高斯的常規(guī)電磁體重達(dá)20噸，而用超導(dǎo)磁體重量還不到1千克。第40頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能（零電阻效應(yīng)的應(yīng)用）用電需求在時(shí)間上是不平衡的，白天晚上不一樣。最佳的解決辦法就是有一種儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)手段。然而，電力的儲(chǔ)藏非常困難。第41頁(yè)/共52頁(yè)充電：合上開(kāi)關(guān)S1，打開(kāi)S2和S3時(shí)，超導(dǎo)線圈Ls充電；儲(chǔ)能：合上S2，打開(kāi)S1，在電路2中就有一個(gè)持續(xù)電流；放電：合上S3，打開(kāi)S2，儲(chǔ)存的電能就傳輸?shù)酵獠控?fù)載。1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能基本原理示意圖RS1S2S3負(fù)載電源Ls超導(dǎo)溫度第42頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用

超導(dǎo)磁懸浮列車是運(yùn)用超導(dǎo)體的完全抗磁性，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無(wú)輪”列車。

超導(dǎo)磁懸浮列車

兩種磁懸浮列車系統(tǒng)(a)常導(dǎo)磁吸型；(b)超導(dǎo)磁斥型

第43頁(yè)/共52頁(yè)日本開(kāi)發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV于1997年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出每小時(shí)550公里的世界最高紀(jì)錄。

日本超導(dǎo)磁斥型，懸浮氣隙較大，一般為100mm上海常導(dǎo)磁吸型，懸浮氣隙較小，一般為10mm上海磁懸浮列車時(shí)速430公里,從浦東龍陽(yáng)路站到浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)，三十多公里只需6分鐘。

1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用第44頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用

核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)100~200M℃，沒(méi)有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來(lái)，然后慢慢釋放，使受控核聚變能源成為入類取之不盡的新能源。

受控?zé)岷司圩儯嗽焯?yáng)第45頁(yè)/共52頁(yè)我國(guó)研制的“托卡馬克”裝置（等離子體溫度高達(dá)5000萬(wàn)度），能夠提供清潔無(wú)限的能源。1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用第46頁(yè)/共52頁(yè)1.4.9.超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID)作為靈敏度極高的磁傳感器,超導(dǎo)量子干涉