超導(dǎo)電子學(xué)－1.1

1、2參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1. A. Barone and G. Paterno, Physics and Applications of the Josephson Effect, John Wiley and Sons, New. York, 19822. S. Solymar, Superconductive Tunneling and Applications3. T. Van Duzer and C. W. Turner, Principles of Superconductive Devices and Circuits，Prentice Hall PTR，Upper Saddle R

2、iver, 2 Edition, 19984. 西北大學(xué)編，西北大學(xué)編，5. 章立源等，章立源等，電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社6. A巴羅尼巴羅尼 G帕特譜著帕特譜著,崔廣霽崔廣霽 孟小凡譯孟小凡譯 1 13 導(dǎo)導(dǎo) 論論n超導(dǎo)電基本現(xiàn)象超導(dǎo)電基本現(xiàn)象n低溫技術(shù)低溫技術(shù)( (制冷制冷) )n超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)n超導(dǎo)態(tài)微觀的模型、理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果超導(dǎo)態(tài)微觀的模型、理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果4美國(guó)能源部美國(guó)能源部20032003年年1111月公布了二十年中長(zhǎng)月公布了二十年中長(zhǎng)期大科學(xué)工程發(fā)展規(guī)劃，共期大科學(xué)工程發(fā)展規(guī)劃，共2828項(xiàng)，擬投資項(xiàng)，擬投資120120億美元。這些項(xiàng)目中億美元。這些項(xiàng)目中8

3、080是以低溫與是以低溫與超導(dǎo)技術(shù)為基礎(chǔ)的。超導(dǎo)技術(shù)為基礎(chǔ)的。去年是超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)去年是超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)100100周年，為紀(jì)念這個(gè)周年，為紀(jì)念這個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)。我們簡(jiǎn)單的回顧這段歷史。偉大的發(fā)現(xiàn)。我們簡(jiǎn)單的回顧這段歷史。5阿爾伯特阿爾伯特愛因斯坦愛因斯坦 在專利局任職在專利局任職 與他的第二任妻子愛爾莎與他的第二任妻子愛爾莎 愛因斯坦（愛因斯坦（Albert EinsteinAlbert Einstein，18791879年年-1955-1955年），舉世聞名年），舉世聞名的德裔美國(guó)科學(xué)家，現(xiàn)代物理的德裔美國(guó)科學(xué)家，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人。19211921年，愛因斯坦因光電效應(yīng)年

4、，愛因斯坦因光電效應(yīng)研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)6埃爾溫埃爾溫薛定諤薛定諤 薛定諤薛定諤(Erwin Schrodinger)(Erwin Schrodinger)，18871887年年19611961年，年，奧地利奧地利理論物理學(xué)家，理論物理學(xué)家，量子力學(xué)量子力學(xué)的奠基人之一，與英國(guó)的奠基人之一，與英國(guó)物理物理學(xué)家狄拉克一起獲得學(xué)家狄拉克一起獲得19331933年年諾貝爾物諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)理學(xué)獎(jiǎng)。71、低溫超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)低溫超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn) 超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與極低溫室的探索密切相關(guān)，超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與極低溫室的探索密切相關(guān)，而極低溫度的獲得是從氣體液化技術(shù)開始的。而極低溫度的獲得

5、是從氣體液化技術(shù)開始的。n1898年，英國(guó)化學(xué)家杜瓦（年，英國(guó)化學(xué)家杜瓦（James Sir Dewar）應(yīng)用焦應(yīng)用焦湯效應(yīng)與林德機(jī)獲得了液態(tài)氫，次年又湯效應(yīng)與林德機(jī)獲得了液態(tài)氫，次年又獲得了固態(tài)氫，得到了獲得了固態(tài)氫，得到了14K的低溫。的低溫。n1908年荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯年荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(Heike Kamerlingh Onnes)終獲得了液態(tài)氦，為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供終獲得了液態(tài)氦，為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供了必要的條件。了必要的條件。 8n昂內(nèi)斯和克雷昂內(nèi)斯和克雷(JClay)先后在液氦溫度下測(cè)量金，先后在液氦溫度下測(cè)量金，汞、銀、鉍、鋁和鉛幾種不同金屬的電阻，發(fā)現(xiàn)汞、銀、鉍、鋁和鉛幾

6、種不同金屬的電阻，發(fā)現(xiàn)不同純度的金屬在低溫下電阻的變化不同。不同純度的金屬在低溫下電阻的變化不同。n昂內(nèi)斯選擇汞作研究對(duì)象，因?yàn)楣诔叵驴梢园簝?nèi)斯選擇汞作研究對(duì)象，因?yàn)楣诔叵驴梢赃B續(xù)用蒸餾法提純。測(cè)量結(jié)果表明，連續(xù)用蒸餾法提純。測(cè)量結(jié)果表明，“在在3K，發(fā)，發(fā)現(xiàn)電阻降到現(xiàn)電阻降到3106歐姆以下，即為其在攝氏零歐姆以下，即為其在攝氏零度電阻值的一千萬分之一。度電阻值的一千萬分之一?！边@蛻明這蛻明“純汞的電純汞的電阻可以變?yōu)榱?，至少找不出與零的差異。阻可以變?yōu)榱?，至少找不出與零的差異。這實(shí)際上是人類第一次觀察到的超導(dǎo)電性。昂內(nèi)這實(shí)際上是人類第一次觀察到的超導(dǎo)電性。昂內(nèi)斯的這一結(jié)果于斯的這一

7、結(jié)果于1911年年4月及月及5月先后以論文的月先后以論文的形式發(fā)表出來。形式發(fā)表出來。 92完全抗磁性的發(fā)現(xiàn)完全抗磁性的發(fā)現(xiàn)n1933年，德國(guó)的邁斯納年，德國(guó)的邁斯納(Walter Meissner)和奧克和奧克森費(fèi)爾特森費(fèi)爾特(ROchsenfeld)在超導(dǎo)電性的研究中，在超導(dǎo)電性的研究中，又做出了驚人的發(fā)現(xiàn)。又做出了驚人的發(fā)現(xiàn)。 邁斯納在前人工作中注意到，超導(dǎo)體在有磁場(chǎng)邁斯納在前人工作中注意到，超導(dǎo)體在有磁場(chǎng)時(shí)的轉(zhuǎn)變中，有滯后現(xiàn)象存在。于是，進(jìn)一步做時(shí)的轉(zhuǎn)變中，有滯后現(xiàn)象存在。于是，進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)研究，得到了與前人截然不同的結(jié)果。當(dāng)物實(shí)驗(yàn)研究，得到了與前人截然不同的結(jié)果。當(dāng)物體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)以后

8、，外部空間的磁場(chǎng)分布將發(fā)生體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)以后，外部空間的磁場(chǎng)分布將發(fā)生變化，以使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持為零。變化，以使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持為零。這說明，這說明，超導(dǎo)體具有特殊的磁性質(zhì)，處于超導(dǎo)狀超導(dǎo)體具有特殊的磁性質(zhì)，處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)磁導(dǎo)率態(tài)時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)磁導(dǎo)率為零的抗磁體為零的抗磁體，這，這就是后人稱做的邁斯納效應(yīng)。使人們對(duì)超導(dǎo)態(tài)的就是后人稱做的邁斯納效應(yīng)。使人們對(duì)超導(dǎo)態(tài)的本質(zhì)有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。本質(zhì)有了一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。 10各類超導(dǎo)體各類超導(dǎo)體（Tc）與）與發(fā)現(xiàn)年代發(fā)現(xiàn)年代與超導(dǎo)研究相關(guān)的與超導(dǎo)研究相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)n1913年：?？四辏汉？?卡末林昂

9、內(nèi)斯卡末林昂內(nèi)斯(荷蘭荷蘭)關(guān)于低溫下物體性質(zhì)的研關(guān)于低溫下物體性質(zhì)的研究和制成液態(tài)氦究和制成液態(tài)氦 n19731973年：江崎玲于奈年：江崎玲于奈( (日本日本) )發(fā)現(xiàn)半發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體隧道效應(yīng)；賈埃弗導(dǎo)體隧道效應(yīng)；賈埃弗( (美國(guó)美國(guó)) )發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體隧道效應(yīng)；約瑟夫森超導(dǎo)體隧道效應(yīng)；約瑟夫森( (英國(guó)英國(guó)) )提出并發(fā)現(xiàn)通過隧道勢(shì)壘的超電流提出并發(fā)現(xiàn)通過隧道勢(shì)壘的超電流的性質(zhì)，即約瑟夫森效應(yīng)的性質(zhì)，即約瑟夫森效應(yīng) n1972年：巴丁、庫(kù)柏、施里弗年：巴丁、庫(kù)柏、施里弗(美國(guó)美國(guó))創(chuàng)立創(chuàng)立BCS超超導(dǎo)微觀理論導(dǎo)微觀理論n1987年：柏德諾茲年：柏德諾茲(德國(guó)德國(guó))、繆勒、繆勒(瑞士瑞士)發(fā)現(xiàn)

10、氧化物發(fā)現(xiàn)氧化物高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料 n2003年年 阿列克謝阿列克謝阿布里科索夫、安東尼阿布里科索夫、安東尼萊格特萊格特（美國(guó)）、維塔利（美國(guó)）、維塔利金茨堡（俄羅斯）金茨堡（俄羅斯） “在超導(dǎo)體在超導(dǎo)體和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。和超流體領(lǐng)域中做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。” 隨著研究的進(jìn)展，根據(jù)超導(dǎo)特性，應(yīng)用大致可分為三類：隨著研究的進(jìn)展，根據(jù)超導(dǎo)特性，應(yīng)用大致可分為三類：1.1.大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）：發(fā)電，輸電和儲(chǔ)能等：發(fā)電，輸電和儲(chǔ)能等2.2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，高性能器件，：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，高性能器件，超導(dǎo)量子器件等超導(dǎo)量子器件

11、等3.3.抗磁性應(yīng)用：抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車、熱核聚變反應(yīng)堆等磁懸浮列車、熱核聚變反應(yīng)堆等超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，涉及輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、微電子和電子超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，涉及輸電、電機(jī)、交通運(yùn)輸、微電子和電子計(jì)算機(jī)、生物工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，這主要源自它獨(dú)特的屬性。計(jì)算機(jī)、生物工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，這主要源自它獨(dú)特的屬性。n首先是零電阻特征，所以超導(dǎo)技術(shù)最重要的、也是與公眾關(guān)系最密切的應(yīng)用就是超導(dǎo)輸電，用超導(dǎo)體輸電和儲(chǔ)能原則上可以做到?jīng)]有損耗，高效利用能源；用超導(dǎo)體材料做成的電纜，其載流能力比常用銅導(dǎo)線大兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上；正因?yàn)槌瑢?dǎo)體可以運(yùn)載強(qiáng)大的電流，進(jìn)

12、而可以形成強(qiáng)大的磁場(chǎng)，我們稱為超導(dǎo)磁體。利用超導(dǎo)體可以大大地提高磁場(chǎng)的強(qiáng)度和均勻度等，比如研究宇宙和物質(zhì)基本問題的最重要的設(shè)備粒子加速器，超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)使其粒子束行進(jìn)的曲率半徑更小，這樣就使設(shè)備小型化。超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)輸電線路n超導(dǎo)材料最重要的、最令人期盼的就是在電力上的應(yīng)用，拿高溫超導(dǎo)超導(dǎo)材料最重要的、最令人期盼的就是在電力上的應(yīng)用，拿高溫超導(dǎo)電纜來說，它采用無阻和高電流密度的高溫超導(dǎo)材料作為載流導(dǎo)體，相電纜來說，它采用無阻和高電流密度的高溫超導(dǎo)材料作為載流導(dǎo)體，相同截面積的超導(dǎo)電纜的傳輸容量將比常規(guī)電纜高同截面積的超導(dǎo)電纜的傳輸容量將比常規(guī)電纜高35倍，而電纜本體的倍，而電纜本體的焦耳熱損耗非

13、常小。焦耳熱損耗非常小。制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有8 815%15%的電的電能損耗在輸電線路上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá)能損耗在輸電線路上，光是在中國(guó)，每年的電力損失即達(dá)10001000多億度。多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠。超導(dǎo)導(dǎo)線超導(dǎo)導(dǎo)線( (含含21202120根微米根微米直徑的鈮鈦直徑的鈮鈦合金纖維合金纖維) )高溫超導(dǎo)電纜：電纜芯、低溫

14、容器、高溫超導(dǎo)電纜：電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統(tǒng)四個(gè)部分終端和冷卻系統(tǒng)四個(gè)部分鉍系高溫超導(dǎo)直流電纜鉍系高溫超導(dǎo)直流電纜 n超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5萬6萬高斯，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁?yè)碛杏袃扇f兩萬千瓦的功率千瓦的功率超導(dǎo)電機(jī)超導(dǎo)電機(jī)36.5MW36.5MW的發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)10MW10MW的發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)高溫超導(dǎo)輸電電纜高溫超導(dǎo)輸電電纜超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/ /正

15、常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。作用能夠快速和有效地達(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。作用1.1.增強(qiáng)電力系統(tǒng)的增強(qiáng)電力系統(tǒng)的安全性安全性；2.2.增加電力系統(tǒng)的增加電力系統(tǒng)的可靠性可靠性；3.3.提高電力質(zhì)量提高電力質(zhì)量；4.4.能夠與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)能夠與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容設(shè)施兼容；5.5.通過調(diào)節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性靈活性；6.6.減少電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力設(shè)備的更新以減少電力系統(tǒng)線路中的斷路器和熔斷器的使用，

16、延緩電力設(shè)備的更新以降低成本降低成本；7. 7. 提高系統(tǒng)的提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量運(yùn)行容量。超導(dǎo)限流器超導(dǎo)限流器超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施一種電力設(shè)施。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 1.1.可長(zhǎng)期無損耗地儲(chǔ)存能量，可長(zhǎng)期無損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%95%； 2.2.可通過采用電力電子器件的可通過采用電力電子器件的變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)變流器實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）；速度快（毫秒級(jí)）； 3.3.由于其儲(chǔ)能

17、量與功率調(diào)制系由于其儲(chǔ)能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)；量系統(tǒng)； 使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、污染使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、污染小。小。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展展. .超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，推進(jìn)器在飛機(jī)上的應(yīng)用可大大提高飛機(jī)的生超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，推進(jìn)器在飛機(jī)上的應(yīng)用可大大提高飛機(jī)的生存能力；存能力；超導(dǎo)電機(jī)等技術(shù)在航海中的應(yīng)用，可大大減小甚至沒有噪音，推進(jìn)速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力；核潛艇核潛艇圖圖超導(dǎo)

18、完全抗磁效應(yīng)的應(yīng)用超導(dǎo)完全抗磁效應(yīng)的應(yīng)用u 磁懸浮列車磁懸浮列車u 熱核聚變反應(yīng)堆熱核聚變反應(yīng)堆n邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)完全抗磁性完全抗磁性n1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，原來存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)（磁力線）被排擠出去。人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)”?？勾判詰?yīng)用抗磁性應(yīng)用 超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車- -零高度的飛行器零高度的飛行器 若把超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體之上若把超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體之上，由于磁體的磁力不能穿過超導(dǎo)體，磁體，由于磁體的磁力不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間就會(huì)產(chǎn)生斥力，

19、使超導(dǎo)體懸和超導(dǎo)體之間就會(huì)產(chǎn)生斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。在列車車輪旁制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。在列車車輪旁邊安裝小型超導(dǎo)磁體，在列車向前行駛時(shí)邊安裝小型超導(dǎo)磁體，在列車向前行駛時(shí)，超導(dǎo)磁體則向軌道產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，并，超導(dǎo)磁體則向軌道產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，并和安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，產(chǎn)生和安裝在軌道兩旁的鋁環(huán)相互作用，產(chǎn)生一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力一種向上浮力，消除車輪與鋼軌的摩擦力，起到加快車速的作用。高溫超導(dǎo)體在懸，起到加快車速的作用。高溫超導(dǎo)體在懸浮列車上應(yīng)用的研究集中在日本。超導(dǎo)在浮列車上應(yīng)用的

20、研究集中在日本。超導(dǎo)在運(yùn)載上的其他應(yīng)用可能還有用作輪船動(dòng)力運(yùn)載上的其他應(yīng)用可能還有用作輪船動(dòng)力的超導(dǎo)電機(jī)、電磁空間發(fā)射工具及飛機(jī)懸的超導(dǎo)電機(jī)、電磁空間發(fā)射工具及飛機(jī)懸浮跑道。浮跑道。西南交通大學(xué)研制成功的超導(dǎo)磁懸浮列車，西南交通大學(xué)研制成功的超導(dǎo)磁懸浮列車，最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)500公里公里1999年月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車，時(shí)年月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車，時(shí)速速552公里，創(chuàng)世界鐵路時(shí)速最高紀(jì)錄。實(shí)驗(yàn)性公里，創(chuàng)世界鐵路時(shí)速最高紀(jì)錄。實(shí)驗(yàn)性行駛行駛德國(guó)磁懸浮列車德國(guó)磁懸浮列車2003年年1月月1日日我國(guó)第一條磁懸浮列車我國(guó)第一條磁懸浮列車在在上上海海投入運(yùn)行，長(zhǎng)投入運(yùn)行，長(zhǎng)33公

21、里公里，每小時(shí)每小時(shí)450公里公里。核聚變反應(yīng)堆核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體磁封閉體”n利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。利用超導(dǎo)體產(chǎn)生的巨大磁場(chǎng)，應(yīng)用于受控制熱核反應(yīng)。核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億2億，沒有任何常規(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，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)前景廣闊的新能源。中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所超導(dǎo)托卡馬克超導(dǎo)托卡馬克HT-7HT-7巨大的電感綫圈巨大的電感綫圈 原子彈爆炸蘑菇云原子彈爆炸蘑菇云 超導(dǎo)電子學(xué)器件與應(yīng)用超導(dǎo)電子學(xué)器

22、件與應(yīng)用薄膜的微波表面電阻薄膜的微波表面電阻電子對(duì)隧道效應(yīng)（約瑟夫遜效應(yīng)）電子對(duì)隧道效應(yīng)（約瑟夫遜效應(yīng)）準(zhǔn)粒子隧道效應(yīng)準(zhǔn)粒子隧道效應(yīng)281 1、導(dǎo)、導(dǎo) 論論1 1、超導(dǎo)電基本現(xiàn)象、超導(dǎo)電基本現(xiàn)象n當(dāng)溫度降至很低時(shí)，許多材料的直流電阻當(dāng)溫度降至很低時(shí)，許多材料的直流電阻突然消失，并排斥磁場(chǎng)，稱為超導(dǎo)電性。突然消失，并排斥磁場(chǎng)，稱為超導(dǎo)電性。n 臨界溫度臨界溫度 Tcn 臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng) Hcn 臨界電流密度臨界電流密度 Jc29超導(dǎo)材料、轉(zhuǎn)變溫度、直流電阻超導(dǎo)材料、轉(zhuǎn)變溫度、直流電阻n低溫的不斷實(shí)現(xiàn)：低溫的不斷實(shí)現(xiàn)：氣體液化，液氮?dú)怏w液化，液氮-196 、液氫、液氫-253 、液、液氦氦-269

23、）n低溫超導(dǎo)體低溫超導(dǎo)體（常規(guī)超導(dǎo)體）：純金屬、合金、有機(jī)化合物（常規(guī)超導(dǎo)體）：純金屬、合金、有機(jī)化合物 Pb（7.2K）, Nb（9K）, Sn(3.7K)，Al(1.2K), W(0.01K) , N3Sn（18K）.n高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體（氧化物超導(dǎo)體）：金屬氧化物（氧化物超導(dǎo)體）：金屬氧化物 Y-Ba-Cu-O (90K) Bi-Sr-Ca-Cu-O (85K, 110K) Tl-Ba-Ca-Cu-O (125K)30n 將一金屬環(huán)放在變化著的磁場(chǎng)中，則環(huán)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如將一金屬環(huán)放在變化著的磁場(chǎng)中，則環(huán)內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如果以果以L表示環(huán)的自感，表示環(huán)的自感，R表示其電阻

24、，則有：表示其電阻，則有：0diLiRdt/0/tii eL R 超導(dǎo)環(huán)持續(xù)電流可達(dá)超導(dǎo)環(huán)持續(xù)電流可達(dá)2年半年半 （超導(dǎo)）鉛（超導(dǎo)）鉛 3.61023 cm（低溫）純銅（低溫）純銅 109 cm直流電阻直流電阻 已測(cè)到已測(cè)到:1028， 正常金屬低溫下最低為正常金屬低溫下最低為:10121013零電阻現(xiàn)象零電阻現(xiàn)象 超導(dǎo)環(huán)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)環(huán)實(shí)驗(yàn)電流衰減時(shí)間電流衰減時(shí)間31高溫超導(dǎo)、低溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)、低溫超導(dǎo)體32YBa2Cu3O7 Tc 90K轉(zhuǎn)變溫度寬度隨樣品性質(zhì)而不同轉(zhuǎn)變溫度寬度隨樣品性質(zhì)而不同1-純錫單晶純錫單晶2-純錫多晶純錫多晶3-不純錫多晶不純錫多晶高溫超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料R-T曲線曲線

25、轉(zhuǎn)變寬度轉(zhuǎn)變寬度 T 衡量衡量T 1103轉(zhuǎn)變寬度轉(zhuǎn)變寬度33n臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng) 研究表明，各種不同的超導(dǎo)體的研究表明，各種不同的超導(dǎo)體的HcTHcT曲線都可曲線都可近似地近似地用下用下列公式表示：列公式表示：超導(dǎo)體相圖超導(dǎo)體相圖2THc(T) =Hc(0) 1-()Tc(1-1)n 臨界電流臨界電流 在半徑為在半徑為r r的超導(dǎo)線中通過電流的超導(dǎo)線中通過電流I I時(shí)，在超導(dǎo)線表時(shí)，在超導(dǎo)線表面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度面上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H H為為: : 1 24IHr2( )IcrHc T假設(shè)：假設(shè)：臨界電流在樣品表面所產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰等于臨界電流在樣品表面所產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰等于Hc ( )(0) 1Ic T

26、Ic2T（）Tc代入代入(1-1)(1-2)34完全導(dǎo)體完全導(dǎo)體的磁性質(zhì)的磁性質(zhì)n不論在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之前不論在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)之前金屬體內(nèi)有沒有磁感應(yīng)金屬體內(nèi)有沒有磁感應(yīng)線線,當(dāng)它進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后只當(dāng)它進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后只要外磁場(chǎng)要外磁場(chǎng)|B0|小于臨界小于臨界磁場(chǎng)磁場(chǎng)Bc,超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度總是等于零強(qiáng)度總是等于零在給定的溫度與外磁場(chǎng)在給定的溫度與外磁場(chǎng)條件下，完全導(dǎo)體的狀條件下，完全導(dǎo)體的狀態(tài)并不是唯一的，而與態(tài)并不是唯一的，而與歷史（途徑）有關(guān)。歷史（途徑）有關(guān)。不能存在電場(chǎng)，即不能存在電場(chǎng)，即E E0 0，于是有：，于是有： 不可能有隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度不可能有隨時(shí)間變化的磁感應(yīng)強(qiáng)度 超

27、導(dǎo)體超導(dǎo)體的磁性質(zhì)的磁性質(zhì)35室溫室溫低低溫溫冷冷卻卻冷冷卻卻無論先后外加磁場(chǎng)，無論先后外加磁場(chǎng)，樣品變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，樣品變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，超導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)為零。超導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)為零。加一外磁場(chǎng)時(shí)，樣加一外磁場(chǎng)時(shí)，樣品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通品內(nèi)不出現(xiàn)凈磁通密度的特性稱密度的特性稱完全完全抗磁性?？勾判?。超導(dǎo)體超導(dǎo)體的磁性質(zhì)的磁性質(zhì)B B036當(dāng)外磁場(chǎng)當(dāng)外磁場(chǎng)B0介于介于Bc1和和Bc2之間時(shí)，處于混合態(tài)，之間時(shí)，處于混合態(tài)，稱第二類超導(dǎo)體稱第二類超導(dǎo)體372、低溫技術(shù)、低溫技術(shù)1 138低溫技術(shù)低溫技術(shù)n是現(xiàn)代高能物理、粒子物理、凝聚態(tài)物是現(xiàn)代高能物理、粒子物理、凝聚態(tài)物理、空間物理、核能研究的基礎(chǔ)理、空間物理、核

28、能研究的基礎(chǔ)n是傳統(tǒng)工業(yè)（氣體液化、分離、儲(chǔ)存、是傳統(tǒng)工業(yè)（氣體液化、分離、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、冷凍保存等）和現(xiàn)代低溫光電子運(yùn)輸、冷凍保存等）和現(xiàn)代低溫光電子學(xué)、學(xué)、超導(dǎo)電子學(xué)、超導(dǎo)電子學(xué)、衛(wèi)星遙感遙測(cè)、低溫衛(wèi)星遙感遙測(cè)、低溫醫(yī)學(xué)、低溫發(fā)電、儲(chǔ)能的基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、低溫發(fā)電、儲(chǔ)能的基礎(chǔ)39低溫液體火箭推進(jìn)低溫液體火箭推進(jìn)航天飛機(jī)航天飛機(jī)(100t H2,600t O2)天然氣液化天然氣液化(LNG)LNG體積僅為氣體的約體積僅為氣體的約1/625，液化仍是，液化仍是迄今能量密度最高的儲(chǔ)運(yùn)方式。迄今能量密度最高的儲(chǔ)運(yùn)方式。40低溫技術(shù)低溫技術(shù)一般將制冷的溫度劃分為如下幾個(gè)領(lǐng)域：一般將制冷的溫度劃分為如下幾個(gè)領(lǐng)域

29、： (1) 120K以上，以上， 稱為制冷；稱為制冷； (2) 4.2120K， 稱為低溫制冷；稱為低溫制冷； (3) 4.2K以下，以下， 稱為極低溫制冷稱為極低溫制冷絕熱系統(tǒng)：邊界面的絕熱性能良好，系統(tǒng)與外界之間的絕熱系統(tǒng)：邊界面的絕熱性能良好，系統(tǒng)與外界之間的熱傳遞十分微弱熱傳遞十分微弱孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)的邊界面不容許它與外界有任何能量與孤立系統(tǒng)：系統(tǒng)的邊界面不容許它與外界有任何能量與物質(zhì)的傳遞物質(zhì)的傳遞41LNG : -162LNG : -162o oC(111K)C(111K)液氧液氧: -183: -183o oC(90K)C(90K)液氮液氮: -196: -196o oC(77K)

30、C(77K)液氫液氫: -253: -253o oC(20K)C(20K)液氦液氦: -269: -269o oC(4.2K)C(4.2K)制冷制冷低溫低溫極低溫極低溫42熱力學(xué)三大定律熱力學(xué)三大定律熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）（能量守恒定律）熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量，等于外界向他傳遞的熱力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)能增量，等于外界向他傳遞的熱量與外界對(duì)他做功的和熱量與外界對(duì)他做功的和表達(dá)式表達(dá)式: U=W+Q熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律（過程的方向性）（過程的方向性）克勞修斯表述：熱量可以自發(fā)地從較熱的物體克勞修斯表述：熱量可以自發(fā)地從較熱的物體傳遞到較冷的物體，但不可能自發(fā)地從較冷傳遞到較冷的

31、物體，但不可能自發(fā)地從較冷的物體傳遞到較熱的物；的物體傳遞到較熱的物； 43熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律 （熵增加）（熵增加）絕對(duì)零度時(shí)，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值絕對(duì)零度時(shí)，所有純物質(zhì)的完美晶體的熵值為零。為零。 或者絕對(duì)零度（或者絕對(duì)零度（T=0K）不可達(dá)到。）不可達(dá)到。熵表述：隨時(shí)間進(jìn)行，一個(gè)孤立體系中的熵熵表述：隨時(shí)間進(jìn)行，一個(gè)孤立體系中的熵總是不會(huì)減少?？偸遣粫?huì)減少。熵熵（entropy）指的是體系的混亂的程度，）指的是體系的混亂的程度， 物理學(xué)物理學(xué)上指熱能除以溫度所得的商，上指熱能除以溫度所得的商，焓焓 物體的一個(gè)熱力學(xué)能狀態(tài)函數(shù)，物體的一個(gè)熱力學(xué)能狀態(tài)函數(shù)，H = U + pV

32、 U為系統(tǒng)為系統(tǒng)內(nèi)能內(nèi)能，p為其為其壓強(qiáng)壓強(qiáng)，V則為則為體積體積 44獲得低溫的方法獲得低溫的方法 獲得低溫的方法是比較多的，例如物質(zhì)的獲得低溫的方法是比較多的，例如物質(zhì)的融化、汽化或升華都會(huì)吸收熱量來實(shí)現(xiàn)融化、汽化或升華都會(huì)吸收熱量來實(shí)現(xiàn)“制制冷冷”而獲得低溫。這在以蒸汽壓縮制冷為基而獲得低溫。這在以蒸汽壓縮制冷為基礎(chǔ)的冰箱和空調(diào)中得到非常普通的應(yīng)用。礎(chǔ)的冰箱和空調(diào)中得到非常普通的應(yīng)用。 而在低溫技術(shù)中獲得深低溫則基本上依而在低溫技術(shù)中獲得深低溫則基本上依靠氣體膨脹的原理，常用的有靠氣體膨脹的原理，常用的有節(jié)流節(jié)流和和等熵膨等熵膨漲漲這兩種方法。這兩種方法。2 245 氣體經(jīng)過節(jié)流閥小孔時(shí)，

33、流速氣體經(jīng)過節(jié)流閥小孔時(shí)，流速大、時(shí)間短，來不及與外界進(jìn)行大、時(shí)間短，來不及與外界進(jìn)行熱交換，因此節(jié)流過程可以近似熱交換，因此節(jié)流過程可以近似看作絕熱過程。因?yàn)楣?jié)流時(shí)有摩看作絕熱過程。因?yàn)楣?jié)流時(shí)有摩擦力損失，所以節(jié)流過程是不可擦力損失，所以節(jié)流過程是不可逆的。逆的。節(jié)流過程的基本特點(diǎn)：節(jié)流過程的基本特點(diǎn)： 氣體在節(jié)流時(shí)，既無能量輸出，氣體在節(jié)流時(shí)，既無能量輸出，也無能量輸入，節(jié)流前后的能量也無能量輸入，節(jié)流前后的能量保持不變，即節(jié)流前后的保持不變，即節(jié)流前后的焓值相焓值相等等 h1=h2。這是理想氣體的焓值。這是理想氣體的焓值只是溫度的函數(shù)，因而理想氣體只是溫度的函數(shù)，因而理想氣體節(jié)流前后的溫

34、度是不變的。節(jié)流前后的溫度是不變的。 而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓而實(shí)際氣體的焓值是溫度和壓力的函數(shù)，所以實(shí)際氣體節(jié)流后力的函數(shù)，所以實(shí)際氣體節(jié)流后的溫度是發(fā)生變化的。的溫度是發(fā)生變化的。節(jié)流效率節(jié)流效率節(jié)流膨脹效應(yīng)節(jié)流膨脹效應(yīng) 46 等焓降壓等焓降壓過程中，溫度升高、過程中，溫度升高、不變和降低三種情況均可能出不變和降低三種情況均可能出現(xiàn)，取決于實(shí)際氣體在此現(xiàn)，取決于實(shí)際氣體在此溫度、溫度、壓力區(qū)域壓力區(qū)域的熱力學(xué)性質(zhì)。的熱力學(xué)性質(zhì)。 對(duì)于轉(zhuǎn)換溫度很高的氣體，對(duì)于轉(zhuǎn)換溫度很高的氣體，比如空氣，在常溫下等焓絕熱比如空氣，在常溫下等焓絕熱節(jié)流可以達(dá)到降溫的目的；但節(jié)流可以達(dá)到降溫的目的；但對(duì)于轉(zhuǎn)換

35、溫度低的氣體，如氨對(duì)于轉(zhuǎn)換溫度低的氣體，如氨和氫，則需要預(yù)冷到和氫，則需要預(yù)冷到轉(zhuǎn)換溫度轉(zhuǎn)換溫度以下以下，絕熱節(jié)流才能取得降溫，絕熱節(jié)流才能取得降溫的效果。的效果。 節(jié)流效應(yīng)為零節(jié)流效應(yīng)為零,所對(duì)應(yīng)的節(jié)所對(duì)應(yīng)的節(jié)流前的氣體溫度稱為流前的氣體溫度稱為“轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換（回）溫度（回）溫度”，它是壓力的，它是壓力的函數(shù)函數(shù)47從圖從圖3-3中可以看到轉(zhuǎn)回曲線中可以看到轉(zhuǎn)回曲線與縱坐標(biāo)圍成一個(gè)區(qū)域，在與縱坐標(biāo)圍成一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)開始節(jié)流則溫度必該區(qū)域內(nèi)開始節(jié)流則溫度必定降低。該區(qū)域中溫度最高定降低。該區(qū)域中溫度最高處為轉(zhuǎn)回曲線與縱坐標(biāo)上部處為轉(zhuǎn)回曲線與縱坐標(biāo)上部的交點(diǎn)的交點(diǎn)*稱為上轉(zhuǎn)回溫度。很稱為上轉(zhuǎn)回

36、溫度。很顯然要想實(shí)現(xiàn)制冷必須在低顯然要想實(shí)現(xiàn)制冷必須在低于上轉(zhuǎn)回溫度的狀態(tài)下開始于上轉(zhuǎn)回溫度的狀態(tài)下開始節(jié)流。節(jié)流。 對(duì)于任何壓力有兩個(gè)轉(zhuǎn)換溫度：上限轉(zhuǎn)換溫度和下限轉(zhuǎn)換溫度。為了對(duì)于任何壓力有兩個(gè)轉(zhuǎn)換溫度：上限轉(zhuǎn)換溫度和下限轉(zhuǎn)換溫度。為了使氣體節(jié)流后降溫，節(jié)流前的溫度必須低于節(jié)流前壓力下的上限轉(zhuǎn)換溫使氣體節(jié)流后降溫，節(jié)流前的溫度必須低于節(jié)流前壓力下的上限轉(zhuǎn)換溫度。上限轉(zhuǎn)換溫度的數(shù)值與氣體的臨界溫度有關(guān)，氣體的臨界溫度越高，度。上限轉(zhuǎn)換溫度的數(shù)值與氣體的臨界溫度有關(guān)，氣體的臨界溫度越高，其上限轉(zhuǎn)換溫度也越高。其上限轉(zhuǎn)換溫度也越高。 制熱區(qū)制熱區(qū)制冷區(qū)制冷區(qū)48等熵膨漲效應(yīng)等熵膨漲效應(yīng) 這是對(duì)外作

37、功的絕熱膨漲，所以必須依靠能對(duì)外輸出機(jī)械功的膨這是對(duì)外作功的絕熱膨漲，所以必須依靠能對(duì)外輸出機(jī)械功的膨漲機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。在理想情況下等熵膨漲為可逆過程，所以它的熱工漲機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。在理想情況下等熵膨漲為可逆過程，所以它的熱工效率應(yīng)比節(jié)流膨漲的高。效率應(yīng)比節(jié)流膨漲的高。用熱力學(xué)微分方程代人可導(dǎo)出用熱力學(xué)微分方程代人可導(dǎo)出顯然等熵膨脹后溫度總是降低的。對(duì)于理想氣體可得到顯然等熵膨脹后溫度總是降低的。對(duì)于理想氣體可得到把把a(bǔ)S定義為定義為“微分等熵膨漲效應(yīng)微分等熵膨漲效應(yīng)”，則，則49圖圖3-5為等熵膨脹過程，在為等熵膨脹過程，在T-S圖上的表示，圖上的表示，等熵膨脹所產(chǎn)生的制冷量可以表達(dá)為等熵膨脹所產(chǎn)生

38、的制冷量可以表達(dá)為參看圖參看圖3-4節(jié)流后的低壓等溫氣體從點(diǎn)節(jié)流后的低壓等溫氣體從點(diǎn)2等壓吸熱升溫到節(jié)流前的溫度等壓吸熱升溫到節(jié)流前的溫度T0Tl所所吸收的熱量，即節(jié)流所產(chǎn)生的制冷量為吸收的熱量，即節(jié)流所產(chǎn)生的制冷量為比較圖比較圖4和圖和圖5可以看到，在同樣的條件下可以看到，在同樣的條件下等熵膨脹所達(dá)到的溫度始終低于節(jié)流所能等熵膨脹所達(dá)到的溫度始終低于節(jié)流所能獲得的溫度，當(dāng)然等熵膨脹所產(chǎn)生的制冷獲得的溫度，當(dāng)然等熵膨脹所產(chǎn)生的制冷量要大。量要大。50G-M制冷機(jī)的運(yùn)行過程如下：制冷機(jī)的運(yùn)行過程如下： 1-2：位移器處在氣缸下止點(diǎn)，進(jìn)氣閥開，位移器處在氣缸下止點(diǎn)，進(jìn)氣閥開，排氣閥關(guān)。上膨脹腔壓力

39、從低壓排氣閥關(guān)。上膨脹腔壓力從低壓PI升到高壓升到高壓P2，此過程中下膨脹腔體積為零，因?yàn)槲?，此過程中下膨脹腔體積為零，因?yàn)槲灰破髟谧畹忘c(diǎn)。移器在最低點(diǎn)。 2-3；進(jìn)氣閥仍開，排氣閥關(guān)閉，位移器進(jìn)氣閥仍開，排氣閥關(guān)閉，位移器上移至氣缸頂部使原先在上腔的氣體流經(jīng)回上移至氣缸頂部使原先在上腔的氣體流經(jīng)回?zé)崞鬟M(jìn)入下膨脹腔。因?yàn)闅怏w經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)冷熱器進(jìn)入下膨脹腔。因?yàn)闅怏w經(jīng)回?zé)崞鲿r(shí)冷卻降溫、它的體積會(huì)減小，此時(shí)進(jìn)氣閥仍打卻降溫、它的體積會(huì)減小，此時(shí)進(jìn)氣閥仍打開進(jìn)氣以維持系統(tǒng)一定的壓力。開進(jìn)氣以維持系統(tǒng)一定的壓力。 3-4：位移器處在氣缸的頂邦，進(jìn)氣閥關(guān)，位移器處在氣缸的頂邦，進(jìn)氣閥關(guān)，排氣閥開，下膨脹腔

40、中的氣體膨脹至初排氣閥開，下膨脹腔中的氣體膨脹至初壓壓PI。此過程中最終留存氣缸中的氣體對(duì)離。此過程中最終留存氣缸中的氣體對(duì)離開氣缸中的氣體作了功，這導(dǎo)致了下膨脹腔開氣缸中的氣體作了功，這導(dǎo)致了下膨脹腔個(gè)的氣體降至一較低溫度。個(gè)的氣體降至一較低溫度。 4-5：位移器下移至氣缸底部以迫使低溫位移器下移至氣缸底部以迫使低溫氣體從下膨脹腔中流出。氣體從下膨脹腔中流出。低溫氣體流經(jīng)換熱低溫氣體流經(jīng)換熱器，從低溫源吸熱。器，從低溫源吸熱。 5-1：氣體從換熱器流經(jīng)回?zé)崞骰責(zé)岬綒怏w從換熱器流經(jīng)回?zé)崞骰責(zé)岬绞覝亍Ｊ覝亍?1脈沖管制冷機(jī)基本原理：利用高低壓氣體對(duì)脈沖管腔的充放脈沖管制冷機(jī)基本原理：利用高低壓氣

41、體對(duì)脈沖管腔的充放氣而獲得制冷氣而獲得制冷工作過程如下：工作過程如下： (1)高壓氣體通過切換閥經(jīng)回?zé)崞?、冷端換熱器、導(dǎo)流器而以層狀流動(dòng)形式進(jìn)高壓氣體通過切換閥經(jīng)回?zé)崞?、冷端換熱器、導(dǎo)流器而以層狀流動(dòng)形式進(jìn)入脈沖管，受到擠壓，壓力升高，溫度上升，在脈沖管封閉端氣體的溫度達(dá)入脈沖管，受到擠壓，壓力升高，溫度上升，在脈沖管封閉端氣體的溫度達(dá)到最高值：到最高值： (2) 在封閉端的水冷換熱器將熱量帶走，使管內(nèi)氣體因放熱其溫度和壓力和有在封閉端的水冷換熱器將熱量帶走，使管內(nèi)氣體因放熱其溫度和壓力和有降低。降低。 (3)切換閥轉(zhuǎn)動(dòng)使系統(tǒng)內(nèi)氣體與氣源低壓連通，脈沖管內(nèi)的氣體又以層狀流動(dòng)切換閥轉(zhuǎn)動(dòng)使系統(tǒng)內(nèi)氣

42、體與氣源低壓連通，脈沖管內(nèi)的氣體又以層狀流動(dòng)向氣源擴(kuò)張，氣體膨脹降壓而獲得低溫。向氣源擴(kuò)張，氣體膨脹降壓而獲得低溫。 (4)切換閥再次轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)與氣源高壓側(cè)連通，上述過程重復(fù)循環(huán)進(jìn)行。切換閥再次轉(zhuǎn)換使系統(tǒng)與氣源高壓側(cè)連通，上述過程重復(fù)循環(huán)進(jìn)行。524.2K閉合循環(huán)閉合循環(huán)制冷機(jī)制冷機(jī)60K小型脈小型脈沖管制冷機(jī)沖管制冷機(jī)4k低溫低溫G-M制冷機(jī)測(cè)試系統(tǒng)制冷機(jī)測(cè)試系統(tǒng) 53稀釋致冷機(jī)的流程稀釋致冷機(jī)的流程氦氦3與氦與氦4的混合物借助于抽氣泵的混合物借助于抽氣泵P在其循環(huán)；在其循環(huán)；混合物通過與混合物通過與l.3K的液氦的液氦4池池C接觸以凝成液體，接觸以凝成液體，在熱交換器在熱交換器E中進(jìn)一步被

43、冷卻，最后進(jìn)人混合中進(jìn)一步被冷卻，最后進(jìn)人混合器器M?；旌鲜覟檎麄€(gè)循環(huán)系統(tǒng)的最冷部分，溫度在混合室為整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)的最冷部分，溫度在0.1K以下，里面的混合液體分離成兩相，輕的以下，里面的混合液體分離成兩相，輕的富氦富氦3相浮在富氦相浮在富氦4相上面。氦相上面。氦3原子從富氦原子從富氦3相溶解到下面富氦相溶解到下面富氦4相中，這種稀釋過程與普相中，這種稀釋過程與普通液體蒸發(fā)產(chǎn)生致冷效果相似。通液體蒸發(fā)產(chǎn)生致冷效果相似。回流的液體先經(jīng)過用加熱器保持溫度為回流的液體先經(jīng)過用加熱器保持溫度為0.6K的的蒸發(fā)器蒸發(fā)器(S)，氦，氦3先蒸發(fā)流回抽氣泵，留下富氦先蒸發(fā)流回抽氣泵，留下富氦4相流體。這樣富氦相

44、流體。這樣富氦4相中富氦相中富氦3濃度降低，在濃度降低，在一定的強(qiáng)度下其濃度又是固定的數(shù)值，所以混一定的強(qiáng)度下其濃度又是固定的數(shù)值，所以混合器里的富氦合器里的富氦3就穿過界面稀釋到富氦就穿過界面稀釋到富氦4相中來，相中來，以保持其中的氦以保持其中的氦3濃度，如果從蒸發(fā)器中抽走濃度，如果從蒸發(fā)器中抽走的氦的氦3再送回混合室，那么氦再送回混合室，那么氦3將在稀釋致冷機(jī)將在稀釋致冷機(jī)中連續(xù)不斷循環(huán)，也就是可以連續(xù)致冷。中連續(xù)不斷循環(huán)，也就是可以連續(xù)致冷。稀釋致冷是一種能得到低溫度的致冷方法稀釋致冷是一種能得到低溫度的致冷方法l.3K0.1K以下以下0.6K54測(cè)試棒測(cè)試棒控制柜控制柜55其他制冷方法

45、n核絕熱去磁核絕熱去磁. 原子核磁矩間的相互作用也比電子磁矩間的相互作用弱得多。直到mK范圍，核磁矩仍然是混亂取向，因而可用核絕熱去磁法使核系統(tǒng)降溫。通常以稀釋致冷機(jī)預(yù)冷，用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，使核自旋磁化，再絕熱去磁。核自旋溫度已降到50nK量級(jí)，但晶格溫度可能仍為mK量級(jí)。n激光制冷激光制冷. 原子運(yùn)動(dòng)越激烈，物體溫度越高,只要降低原子運(yùn)動(dòng)速度，就能降低物體溫度。激光制冷的原理就是利用大量的光子阻礙原子運(yùn)動(dòng)，使其減速，從而降低了物體溫度。采用三束相互垂直的激光，使原子陷于光子海洋中，運(yùn)動(dòng)不斷受到阻礙而減速。原子可以降到幾乎接近絕對(duì)零度的低溫。鈉原子的溫度只有43微開。 56各種絕熱方法，相

46、應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn)各種絕熱方法，相應(yīng)優(yōu)缺點(diǎn) 1堆積絕熱堆積絕熱 (a)泡沫型。泡沫型。 優(yōu)點(diǎn)：成本低，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不需真空罩；優(yōu)點(diǎn)：成本低，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不需真空罩； 缺點(diǎn)；熱膨脹率大，熱導(dǎo)率會(huì)隨時(shí)間變化；缺點(diǎn)；熱膨脹率大，熱導(dǎo)率會(huì)隨時(shí)間變化； (b)粉末或纖維型。優(yōu)點(diǎn)：成本低，易用于不規(guī)則形狀不會(huì)燃燒；粉末或纖維型。優(yōu)點(diǎn)：成本低，易用于不規(guī)則形狀不會(huì)燃燒； 缺點(diǎn)：需防潮層粉末沉降易造成熱導(dǎo)牢增大。缺點(diǎn)：需防潮層粉末沉降易造成熱導(dǎo)牢增大。 2高真空絕熱高真空絕熱 優(yōu)點(diǎn)：易對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱，預(yù)冷損失小，真空夾層可很小也不致影響絕熱性能；優(yōu)點(diǎn)：易對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱，預(yù)冷損失小，真空夾層可很小

47、也不致影響絕熱性能； 缺點(diǎn)：需持久的高真空、邊界表缺點(diǎn)：需持久的高真空、邊界表6f的額射率要小的額射率要小 3真空粉末真空粉末(或纖維或纖維)絕熱絕熱 優(yōu)點(diǎn)；不需要太高的真空度，易于對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱優(yōu)點(diǎn)；不需要太高的真空度，易于對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱 缺點(diǎn)：震動(dòng)和反復(fù)熱循環(huán)易沉降壓實(shí)抽空時(shí)必須設(shè)置濾網(wǎng)以防粉末進(jìn)入抽空系統(tǒng)缺點(diǎn)：震動(dòng)和反復(fù)熱循環(huán)易沉降壓實(shí)抽空時(shí)必須設(shè)置濾網(wǎng)以防粉末進(jìn)入抽空系統(tǒng) 4多層絕熱多層絕熱 優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能優(yōu)裕，重量輕，嶼粉不絕熱比柏對(duì)預(yù)冷損失小，穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能優(yōu)裕，重量輕，嶼粉不絕熱比柏對(duì)預(yù)冷損失小，穩(wěn)定性 缺點(diǎn)：費(fèi)用較大，難以對(duì)復(fù)雜形狀絕熱，抽成高真空不易，抽空工

48、藝較復(fù)雜。缺點(diǎn)：費(fèi)用較大，難以對(duì)復(fù)雜形狀絕熱，抽成高真空不易，抽空工藝較復(fù)雜。 5高真空多屏絕熱高真空多屏絕熱 優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能最優(yōu)；優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能最優(yōu)； 缺點(diǎn)：僅對(duì)于液氦或掖氫容有較顯著的效結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。缺點(diǎn)：僅對(duì)于液氦或掖氫容有較顯著的效結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。57液氮、液氦杜瓦2 2升液氮杜瓦升液氮杜瓦8080升液氦杜瓦升液氦杜瓦120120升液氦杜瓦升液氦杜瓦THz照射液氦測(cè)量照射液氦測(cè)量6K58n電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程組電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程組 二流體模型二流體模型3、超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)問題、超導(dǎo)體的電動(dòng)力學(xué)問題59矢量代數(shù)矢量代數(shù)xyzyxzxyzxyzuuuueeexyzBBBBxyz

49、eeeBxyzBBB 梯度梯度散度散度旋度旋度00uA （）（）梯度的旋度恒等于零梯度的旋度恒等于零旋度的散度恒等于零旋度的散度恒等于零60n、介質(zhì)麥克斯韋方程、介質(zhì)麥克斯韋方程設(shè)：介質(zhì)中不存在電荷與電流設(shè)：介質(zhì)中不存在電荷與電流00麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組DHJtJjEjE BEtjH 00EBDE DEBH JE根據(jù)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)關(guān)系：根據(jù)介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)關(guān)系： 歐姆定律：歐姆定律：（1 1）61EjH（）（）22222EEk Ek jHE 由麥克斯韋方程組可得由麥克斯韋方程組可得22()EjHEEEE 0 0（1 1）式）式 兩邊取旋度兩邊取旋度介質(zhì)中不存在電介質(zhì)中不存在電荷荷EjH HjE（

50、1 1）式中）式中介質(zhì)中介質(zhì)中62II、正常金屬麥克斯韋方程、正常金屬麥克斯韋方程EjH HJjE0BDJE()()EjHjEjE 麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組（2 2）式兩邊取旋度）式兩邊取旋度（2 2）DEBH63設(shè)設(shè) ，并略去位移電流，并略去位移電流 ，得，得jE22EjEk E2kjjHE0由麥克斯韋方程組可得由麥克斯韋方程組可得2()()jHjEjjEEEEE 0 00 0金屬中金屬中64II、正常金屬、正常金屬jHE222EjEk Ekj2kj由麥克斯韋方程組得由麥克斯韋方程組得、介質(zhì)、介質(zhì)22222EEk Ek 65超導(dǎo)二流體模型超導(dǎo)二流體模型1、超導(dǎo)電流由兩部分組成超導(dǎo)電流由兩

51、部分組成 4cn4c1TTnnTTnnsnn 正常電子流體ns 超導(dǎo)電子流體2 2、正常電子流體、正常電子流體 受晶格散射，熵不為零受晶格散射，熵不為零 超導(dǎo)電子流體超導(dǎo)電子流體 不受晶格散射，對(duì)熵貢獻(xiàn)為零不受晶格散射，對(duì)熵貢獻(xiàn)為零3 3、TTTTc c 時(shí)：時(shí)：snnnn66二流體模型二流體模型電流密度：電流密度：正常電子超導(dǎo)電子正常電子超導(dǎo)電子不受阻不受阻III 超導(dǎo)體超導(dǎo)體nsJJJnJEsJsd vmeEdtnsssJev2ssd Jmn e Edt超導(dǎo)電子超導(dǎo)電子:據(jù)牛頓定律據(jù)牛頓定律F=ma ， 運(yùn)動(dòng)不受阻運(yùn)動(dòng)不受阻(1)(1)正常正常超導(dǎo)超導(dǎo)歐姆定律歐姆定律67BEt 2ssmJ

52、Hn e ssHJHJMaxwell方程有方程有Maxwell方程有方程有(2)(2)(4)(4)(3)(3) (1) (1)式代入式代入(2)(2)式式HJBH 2ssd Jmn e Edt68s22ssmmJHHn en e 22/sHHm n e(4)(4)式代入式代入(3)(3)式式HH由此得出由此得出(磁場(chǎng)的倒數(shù)磁場(chǎng)的倒數(shù))深入至超導(dǎo)體內(nèi)部時(shí)需衰減為零，而實(shí)驗(yàn)上得出的則是深入至超導(dǎo)體內(nèi)部時(shí)需衰減為零，而實(shí)驗(yàn)上得出的則是磁場(chǎng)衰減為零（磁場(chǎng)衰減為零（M效應(yīng)），可見不能簡(jiǎn)單地用無限大電導(dǎo)率來理解超導(dǎo)體效應(yīng)），可見不能簡(jiǎn)單地用無限大電導(dǎo)率來理解超導(dǎo)體2ssmJHn e 2ssd Jmn e

53、Edt再加上再加上據(jù)牛頓定律據(jù)牛頓定律得到的得到的 構(gòu)成倫敦方程構(gòu)成倫敦方程倫敦倫敦引入：引入：69 式中式中ns為超流電子密度，為超流電子密度，e和和m分別是超流電子的電荷和質(zhì)量。分別是超流電子的電荷和質(zhì)量。 在直流情況下，在直流情況下， 由上式由上式E=0,從而從而Jn=0。由于電流是超流電子。由于電流是超流電子引起的，因而表現(xiàn)出零電阻性質(zhì)。引起的，因而表現(xiàn)出零電阻性質(zhì)。 對(duì)交變場(chǎng)，情況就不同了，這時(shí)對(duì)交變場(chǎng)，情況就不同了，這時(shí) E0,Jn0,因此引起正常因此引起正常電流和相應(yīng)的電阻能耗。電流和相應(yīng)的電阻能耗。 低頻情況下這個(gè)電阻效應(yīng)和正常導(dǎo)體比較是很微小的，高頻時(shí)超導(dǎo)體低頻情況下這個(gè)電阻效應(yīng)和正常導(dǎo)體比較是很微小的，高頻時(shí)超導(dǎo)體開始表現(xiàn)出明顯的電阻。開始表現(xiàn)出明顯的電阻。0sd Jdt2ssmJHn e 2ssd Jn eEdtm 倫敦方程倫敦方程0sd Jdt702smn e sEJsJH 定義定義 倫敦方程可寫成倫敦方程可寫成 （ 迅速1013秒的時(shí)間內(nèi)衰減為零。在超導(dǎo)體內(nèi)沒有空間電荷堆積的情況，即在這些方程中取0）注意：EB HJD0BDnsJJJnJE麥克斯韋方程麥克斯韋方程snJJJ nsJJJJEE0 222BB