超導體的特性、原理及應用

1、中國科學技術大學電磁學小論文 論文題目：超導體的特性、原理及應用 作者：蔣哥 學號：PB13206* 指導老師：周* 日期：2014.6.9 超導體的特性、原理及應用1、 摘要 超導是指導電材料在溫度接近絕對零度的時候，物體分子熱運動下材料的電阻趨近于0的性質；“超導體”是指能進行超導傳輸的導電材料。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。自從超導發(fā)現至今，超導的研究和超導體的研制已迅速發(fā)展，超導體的物質結構及性質已逐漸研究清楚，超導的臨界溫度已從開始的幾開升至二百多開，超導材料得到廣泛應用，特別是高溫超導材料的廣泛應用將會給社會帶來的巨大變革。2、 關鍵詞 超導體 零電阻效應 邁斯納效應 應用

2、 實驗驗證三、引言及背景 人類最初發(fā)現物體的超導現象是在1911年。當時荷蘭科學家卡·翁納斯等人發(fā)現，某些材料在極低的溫度下，其電阻完全消失，呈超導狀態(tài)。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。經過近100年的發(fā)展，臨界溫度已大大提高，現有的高溫超導體用液態(tài)氮來冷卻即可應用于實際。高溫超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用（強電應用）、電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用。大電流應用即超導發(fā)電、輸電和儲能；電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。4、 正文1、超導體的特性及原理1.1零電阻效應超導體在一定溫度以下，其

3、電阻降為零的現象稱為材料的超導電現象。1911 年荷蘭著名低溫物理學家昂納斯發(fā)現在 T4.1K下汞具有零電阻效應。采用四引線電阻測量法可測出超導體的RT 特性曲線，如圖所示。圖中的 Rn為電阻開始急劇減小時的電阻值，對應的溫度稱為起始轉變溫度 Ts；當電阻減小到 Rn/2 時的溫度稱為中點溫度 Tm；當電阻減小至零時的溫度為零電阻溫度T0。由于超導體的轉變溫度還與外部環(huán)境條件有關，定義在外部環(huán)境條件（電流，磁場和應力等）維持在足夠低的數值時，測得的超導轉變溫度稱為超導臨界溫度。下面對這一特性進行理論分析：歐姆定律的微分形式：j=E（j為正常電流密度，為電導率，E為電場強度）倫敦方程給出：偏js

4、/偏t=aE和×js=bB（a=ns*e2/m ，b=-ns*e2/m ，ns為超導電子密度，e，m為電子的電荷與質量,js是超導電流密度）超導體中總電流密度j為： j=js+j(假設j仍服從j=E)在直流情形下有：偏js/偏t=0，由偏js/偏t=aE得E=0，從而應有j=E=0定性解釋：在直流情形，全部電流是由超導電子貢獻的，因而表現出0電阻。1.2邁斯納效應(完全抗磁性效應) 1933 年，邁斯納（W.Meissner）發(fā)現：當置于磁場中的導體通過冷卻過渡到超導態(tài)時，原來進入此導體中的磁力線會一下子被完全排斥到超導體之外（見下圖），磁力線不能穿過它的體內。也就是說超導體處于超導

5、態(tài)時，體內的磁場恒等于零，這表明超導體是完全抗磁體，這個現象稱為邁斯納效應。需要注意的是超導體一旦進入超導狀態(tài)，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進入超導狀態(tài)，超導體就把全部磁通量排出體外。 下面對這一特性進行理論分析：產生邁斯納效應的原因是：當超導體處于超導態(tài)時，在磁場作用下，表面感生一個無損耗的（零電阻效應無損耗）抗磁超導電流。這個電流產生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反，因而在深入超導區(qū)域總合成磁場為零。換句話說，這個無損耗感應電流對外加磁場起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。早期曾有人認為超導體是一種導電率等

6、于無窮大的導體，即用純電學的觀點去看超導體。實際上，這種觀點認為超導體與普通導體沒有本質區(qū)別，其不同之處僅僅在于電導率的大小存在著差異而已，實驗證明這種想法是不正確的。歐姆定律的微分形式 （其中，j是電流密度矢量，E是電場強度，是電導率）此外，由電磁學的麥克斯韋方程 可知，若將超導看成是的導體，超導體中的磁場B應滿足方程 先冷卻先冷卻后冷卻后冷卻上式表明，超導體內的磁場B與時間t無關，或B不隨時間改變，而完全由初始條件決定。即超導體內，如果t=0時，有磁場B，則以后磁場B的大小和方向皆不改變；如果t=0時，超導體內無磁場，則以后恒無磁場。根據以上的結論，我們可以設計兩個實驗如下圖（實驗1先冷卻

7、再外加磁場，實驗2先外加磁場再冷卻），如果認為超導體是的普通導體，則應出現圖（a）的結果，即超導體內有無磁場，完全取決于初始條件，先冷卻，后加磁場則超導體內無磁場；先加磁場，后冷卻則超導體內有磁場。但實驗結果表明圖（a）的情況并未出現。相反，實驗結果是圖(b)所示的情況。無論是先冷卻，后加磁場；還是先加磁場，后冷卻，超導體內部最終均無磁場。 （a） （b）即超導體總是完全排斥磁場的，這是它不同于普通導體的特性。1.3約瑟夫森效應當在兩塊超導體之間存在一塊極薄的絕緣層時，超導電子能通過極薄的絕緣層，這種現象稱為約瑟夫森效應，相應的裝置稱為約瑟夫森器件，如圖所示。當通以低于臨界電流值 I0時，在絕

8、緣薄層上的電壓為零，但當電流I>I0時，會從超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)，出現電壓降，呈現有阻態(tài)，這種器件具有顯著的非線性電阻特性，可制成高靈敏度的磁敏感器件，應用在超高速計算機等場合。2、 超導特性的應用2.1零電阻效應的應用2.1.1超導電纜 目前大功率高壓輸電能量損失高達10%以上,根據超導體的零電阻效應,可以利用超導電纜實現完全沒有熱損耗的輸電過程。并且超導導線的輸運電流密度可達103A·mm-2,為普通導線的5001 000倍,所以超導電纜具有體積小、重量輕、能耗低和傳輸容量大等優(yōu)點。采用超導電纜的電網電壓等級可以大大降低,省去了初終端設備,特別適合大容量長距離輸電。2.1.2

9、超導濾波器 超導濾波器是超導材料的先進應用之一，國際上很多公司都在開展這方面的研究。由于超導體表面電阻為零，用它制出的濾波器達到的特性是常規(guī)濾波器所無法比擬的。基站中安裝超導濾波器后，可以顯著的提高基站的接收靈度，擴大基站的覆蓋范圍，提高通話質量，降低對人體健康的影響。2.1.3超導磁儲能系統 利用超導材料制成線圈,經供電勵磁產生磁場而儲存能量,在需要時再將能量送回電網或作其他用途,這就是超導磁儲能系統。由于儲能線圈是由超導體繞成并維持在超導態(tài),所儲存的能量幾乎可以無損耗地儲存下去,因此,其能量轉換效率很高,可達95%,以及很快的反應速度,可達幾毫秒。該系統不僅可以用作高速列車上的磁懸浮線圈、

10、輪船和潛艇的磁流體和電磁推進系統,還可用于調節(jié)電力系統的峰谷、降低電網的低頻功率以及無功和功率因素的調節(jié),達到改善電網電壓和頻率特征,改善系統穩(wěn)定性的目的。2.1.4超導發(fā)電機 常規(guī)發(fā)電機采用銅或鋁作為導體，重量大，焦耳熱高，且發(fā)生瞬時過載時會發(fā)出很大的噪聲。利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50%。2.2邁斯納效應的應用2.2.1超導磁懸浮列車 磁懸浮車是超導技術在交通運輸中的重要應用成果，它具有安全、舒

11、適、高速的優(yōu)點，其它交通工具是無法與之相比的。下圖是磁懸浮車的原理模型圖，車身底部截面呈凹形，裝有超導電磁體，導軌是鋁質的，截面呈凸形。列車前進時，車身底部的超導電磁體產生的磁場在鋁制導軌內引起感應電流，感應電流的磁場排斥車身的電磁鐵磁場，使車身懸浮在導軌上，從而使列車在行進過程中受到的摩擦阻力大大減小。2.2.2超導磁懸浮軸承 利用邁斯納效應，超導轉軸會產生與原磁場方向相反的磁場，磁場的作用力使轉軸懸浮而無摩擦，無摩擦的超導軸承是機械中最理想的構件，它的應用會使許多機械面目為之一新。磁場磁場超導軸承 3、 設計實驗驗證超導體的零電阻效應和邁斯納效應3.1驗證零電阻效應 1.取一超導圓環(huán)置于溫

12、度低于其臨界溫度Tc的環(huán)境中； 2.利用電磁感應使環(huán)內激發(fā)起感應電流； 3.檢測環(huán)內電流的持續(xù)時間，若環(huán)內電流能持續(xù)下去； 再升高溫度至高于Tc，若電流立刻消失，則說明零電 阻效應存在。3.2驗證邁斯納效應 1.在一個淺平的超導體盤中，放入一個體積很小磁性很強 的永久磁鐵，然后把溫度降低至低于其臨界溫度Tc， 使其出現超導性。 2.若觀察到小磁鐵離開盤面并上升，上升到一定高度后， 小磁鐵懸空保持不動，則說明邁斯納效應存在。五、結語 超導體有兩個基本特性。其一是零電阻效應，即在超導臨界轉變溫度之下，超導體的電阻降為零。超導體的另一個基本特性是完全抗磁性,即超導體在處于超導狀態(tài)時，可以完全排除磁力線的進入，這個現象被稱為邁斯納效應。 由于超導態(tài)的新奇特性,使超導體有著廣泛的應用領域和較高的實用價值。超導技術必將成為21世紀最熱門的高新技術之一。6、 參考文獻 1胡友