1、專題報(bào)告題目：超導(dǎo)技術(shù)研究與發(fā)展摘要：具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料 。從1911年荷蘭物理學(xué)家翁奈首先發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有優(yōu)越的物理性質(zhì)和優(yōu)越的性能，目前已被廣泛接受和認(rèn)同，具有良好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料；分類；性質(zhì)；應(yīng)用；原理；展望一、引言1911年荷蘭物理學(xué)家翁奈在研究水銀低溫電阻時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些金屬、合金和化合物在低溫時(shí)電阻也變?yōu)榱?，即具有超?dǎo)現(xiàn)象。物質(zhì)在超低溫下，失去電阻的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性；相應(yīng)的具有這種性質(zhì)的物質(zhì)就稱這超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有的

2、優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。目前，超導(dǎo)材料已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，本文擬就超導(dǎo)材料的分類、性質(zhì)、應(yīng)用、原理等方面展開論述，以幫助人們更好的認(rèn)識超導(dǎo)材料。二、分類2.1按成分分為：元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體，有機(jī)高分子超導(dǎo)體三類。2.2按Meissner效應(yīng)分為：第一類超導(dǎo)體：超導(dǎo)體在磁場中有一同的規(guī)律，如圖a所示：當(dāng)HHc 時(shí)，B=H，即在超導(dǎo)態(tài)內(nèi)能完全排除外磁場，且只有一個(gè)值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體。第二類超導(dǎo)體：如圖b所示，第二類超導(dǎo)體的特點(diǎn)是：當(dāng)HHc1時(shí)，B=0，排斥外磁場。當(dāng)Hc1H0而BHc2時(shí)，B= H ，磁場完全穿透。也就是在超

3、導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間有一種混合態(tài)存在，Hc有兩個(gè)值Hc1和Hc2 。釩、鈮、釕及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體都是屬于第二類導(dǎo)體。三、性質(zhì)3.1零電阻性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象與常導(dǎo)體零電阻在實(shí)質(zhì)上截然不同。常導(dǎo)體的零電阻是指在理想的金屬晶體中，由于電子運(yùn)動(dòng)暢通無阻，因此沒有電阻；而超導(dǎo)體零電阻是指當(dāng)溫度降至某一數(shù)值Tc或以下時(shí)，其電阻突然變?yōu)榱?。電阻率與溫度T的關(guān)系見右圖3.2完全抗磁性1933年邁斯納和奧爾德首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體具有完全抗磁性的特點(diǎn)。把錫單

4、晶球超導(dǎo)體在磁場(HHc)中冷卻，在達(dá)到臨界溫度Tc以下時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去；或者先把超導(dǎo)體冷卻至Tc以下，再通以磁場，這時(shí)磁通線也被排斥出動(dòng)；如圖所示。即在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.這就是邁斯納效應(yīng)。3.3約瑟夫森效應(yīng)兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來越引人注目的各類應(yīng)用的依

5、據(jù)。3.4同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開。四、基本臨界參量4.1臨界溫度外磁場為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。 4.2臨界磁場使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T 的關(guān)系為Hc=H01-(T/Tc)2，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場。 4.3臨界

6、電流和臨界電流密度通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。 超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭物理學(xué)家H.開默林昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人們發(fā)現(xiàn)的最高的 Tc才達(dá)到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理學(xué)家K.A.米勒和聯(lián)邦德國物理學(xué)家J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將Tc提高到35K。之后僅一年時(shí)間，新材料

7、的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。五、超導(dǎo)機(jī)理當(dāng)前在闡明超導(dǎo)機(jī)理的幾種理論中，二流體模型是較有說服力的，較為流行的一種。二流體模型認(rèn)為：超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，傳導(dǎo)電子分為兩部分，一部分叫常導(dǎo)電子，另一部分叫超流電子，兩種電子占據(jù)同一體積，彼此獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在空間上互相滲透；常導(dǎo)電子的導(dǎo)電規(guī)律與常規(guī)導(dǎo)體一樣，受晶格振動(dòng)而散射，因而產(chǎn)生電阻，對熱力學(xué)熵有貢獻(xiàn)；超流電子處于某種凝聚狀態(tài)，不受晶格振動(dòng)而散射，對熵?zé)o貢獻(xiàn)，其電阻為零，它在晶格中無阻地流動(dòng)。這兩種電子的相對數(shù)目與溫度有關(guān)，TTc時(shí)，沒有凝聚；T=Tc時(shí)，開

8、始凝聚；T=0時(shí)，超流電子成分占100%。這就是二流體模型的理論觀點(diǎn)。它很好的解釋了超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)零電阻現(xiàn)象。六、超導(dǎo)材料的應(yīng)用6.1低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用 低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用分為：強(qiáng)電應(yīng)用，主要包括超導(dǎo)在強(qiáng)磁場中的應(yīng)用和大電流輸送；弱電應(yīng)用，主要包括超導(dǎo)電性在微電子學(xué)和精密測量等方面的應(yīng)用。6.2高溫超導(dǎo)體材料的應(yīng)用與進(jìn)展目前高溫超導(dǎo)材料大量應(yīng)用在磁體、電子器件、電力等方面。但仍有許多材料和技術(shù)方面的問題需要解決。在材料方面，主要是要求超導(dǎo)體應(yīng)有較高的臨界溫度和臨界電流七、結(jié)論超導(dǎo)體得天獨(dú)厚的特性，使它可能在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于早期的超導(dǎo)體存在于液氦極低溫度條件下，極大地限制了超導(dǎo)

9、材料的應(yīng)用。自1911年荷蘭科學(xué)家卡末林、昂尼斯發(fā)現(xiàn)“超導(dǎo)”現(xiàn)象至今，世界各國的科學(xué)家從未間斷過對“超導(dǎo)”的研究，特別是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著1987年中國、日本和美國科學(xué)家采用金屬氧化物，將超導(dǎo)臨界溫度提高，使超導(dǎo)體前進(jìn)了一大步，從而引起了一場前所未有的“超導(dǎo)大戰(zhàn)”。近年來，世界各國紛紛投入巨資加緊研究與開發(fā)，不斷推動(dòng)超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)生新的飛躍。當(dāng)日本宣布獲得了175K的超導(dǎo)材料后不久，美、中、俄、聯(lián)邦德國、丹麥等國也都相繼有了突破性的研究報(bào)告，有的甚至已看到了308K的超導(dǎo)跡象，即已達(dá)到常溫的轉(zhuǎn)變溫度。這表明，超導(dǎo)技術(shù)廣泛應(yīng)用的時(shí)代即將來臨。 八、展望未來十年是高溫超導(dǎo)市場發(fā)展和材料產(chǎn)業(yè)

10、化的十年。據(jù)預(yù)測，2010年和2020年，世界超導(dǎo)市場將分別達(dá)到300億美元年和2440億美元年。在不久的將來，我國的能源、醫(yī)療衛(wèi)生、電子技術(shù)和科學(xué)儀器等方面將會(huì)迫切需要超導(dǎo)技術(shù)。超導(dǎo)體的應(yīng)用將導(dǎo)致一場新技術(shù)革命。參考文獻(xiàn)： 1 金建勛 鄭陸海，高溫超導(dǎo)直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)及其發(fā)展，微特電機(jī).2008,36(3).-58-62 2 韓汝姍，高溫超導(dǎo)物理，北京大學(xué)出版社，1998年9月 3 官伯然，超導(dǎo)電子技術(shù)極其應(yīng)用，科學(xué)出版社，2009年10月 4 張?jiān)：?，超?dǎo)物理（第三版），中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009年1月 5 時(shí)東陸 周午縱 梁維耀，高溫超導(dǎo)應(yīng)用研究，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2008年10月 6 康志成，大型超導(dǎo)磁體電流引線理論及應(yīng)