低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用

1、低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用1低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用2低溫超導材料簡介低溫超導材料基礎(chǔ)理論低溫超導材料發(fā)展歷程低溫超導材料應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用3超導材料：指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?，F(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體。低溫超導材料（low temperature superconducting material） 具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc30K），在液氦溫度條件下工作的超導材料。分為金屬、合金和化合物?；衔锏蜏爻瑢Р牧嫌蠳bN (Tc=16K)、Nb3Sn

2、 ( Tc=18.1K) 和 V3Ga（Tc=16.8K）。NbN多以薄膜形式使用 ，由于其穩(wěn)定性好 ，已制成實用的弱電元器件 合金系低溫超導材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的相固溶體，Tc 在 9K 以上。 具有實用價值的低溫超導金屬是Nb( 鈮 )，Tc 為9.3K已制成薄膜材料用于弱電領(lǐng)域。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用4低溫超導材料簡介低溫超導材料基礎(chǔ)理論低溫超導材料發(fā)展歷程低溫超導材料應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用5溫度T臨界溫度Tc磁場強度HHc的磁場作用于超導體的磁場作用于超導體時，磁力線將穿入超導體，超導態(tài)被破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)。時，磁力

3、線將穿入超導體，超導態(tài)被破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)。電流密度J臨界電流密度Jc 同時同時,電流密度產(chǎn)生的磁場與外加磁場的矢量和應(yīng)小于臨電流密度產(chǎn)生的磁場與外加磁場的矢量和應(yīng)小于臨界磁場強度界磁場強度Hc。電流強度電流強度I單位時間通過某截面電荷的量；單位時間通過某截面電荷的量；電流密度電流密度J單位面積上通過的電流強度單位面積上通過的電流強度；注意區(qū)分注意區(qū)分：超導體的臨界條件低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用6超導臨界參數(shù)之間的關(guān)系三個性能指標，相互三個性能指標，相互制約制約；一般來說，指標越高越好。一般來說，指標越高越好。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用7超導臨界溫度T

4、c超導體從常導態(tài)轉(zhuǎn)超導體從常導態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)的溫度變?yōu)槌瑢B(tài)的溫度；即電阻突然變?yōu)?；即電阻突然變?yōu)榱銜r的溫度。零時的溫度。由于組織結(jié)構(gòu)不同由于組織結(jié)構(gòu)不同，超導臨界溫度不，超導臨界溫度不是一個特定的數(shù)值是一個特定的數(shù)值，而是跨越一個溫，而是跨越一個溫度區(qū)域；因此實際度區(qū)域；因此實際超導材料的臨界溫超導材料的臨界溫度用四個參數(shù)表征度用四個參數(shù)表征。超導材料的臨界溫度超導材料的臨界溫度起始轉(zhuǎn)變溫度起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)零電阻溫度零電阻溫度Tc(R=0)轉(zhuǎn)變溫度寬度轉(zhuǎn)變溫度寬度Tc中間臨界溫度中間臨界溫度Tc(mid)低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用8超導臨界磁場強度Hcn對

5、于超導體，當外加磁場足夠強時，會破壞其超導性；對于超導體，當外加磁場足夠強時，會破壞其超導性；n破壞超導態(tài)所需的最小的磁場強度稱為破壞超導態(tài)所需的最小的磁場強度稱為超導臨界磁場強度超導臨界磁場強度。臨界磁場強度為溫度的函數(shù)，表達式為：)( 1220ccccTTTTHHHc0為絕對零度時的臨界磁場；THcHc0Tc0低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用超導臨界電流Jc破壞超導態(tài)所需的最小電流密度破壞超導態(tài)所需的最小電流密度; J=I/A,單位單位A/m2超導臨界電流與臨界溫度的關(guān)系：超導臨界電流與臨界溫度的關(guān)系：220/1cccTTJJ低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用

6、第I類超導體只有一個臨界磁場Hc； 當HHc時，正常態(tài)。 常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、錫等常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、錫等; ; 熔點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作熔點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導體軟超導體”； 臨界電流密度和臨界磁場較低，沒有很好的實用價值臨界電流密度和臨界磁場較低，沒有很好的實用價值。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用第II類超導體有兩個臨界磁場 當當HHc1時，時，零電阻且零電阻且完全禁止完全禁止磁場線進入磁場線進入邁斯納態(tài)邁斯納態(tài)。 當當 Hc1 HHc2時，正常態(tài)。時，正常態(tài)。 釩、鈮、鉭和大多數(shù)超導合金及釩、鈮、鉭和大多數(shù)超導合金

7、及超導化合物。超導化合物。第第II類超導體比第類超導體比第I類超導體有更高類超導體有更高的臨界參數(shù)。的臨界參數(shù)。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用金屬元素超導體：合金超導體：金屬化合物超導體：除釩、鈮、鉭大多數(shù)金屬元素除釩、鈮、鉭大多數(shù)金屬元素都是第都是第I類超導體；類超導體；釩、鈮、鉭為第釩、鈮、鉭為第II類超導體。類超導體。絕大多數(shù)為第絕大多數(shù)為第II類超導體；類超導體；絕大多數(shù)為第絕大多數(shù)為第II類超導體；類超導體；低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用13低溫超導材料簡介低溫超導材料基礎(chǔ)理論低溫超導材料發(fā)展歷程低溫超導材料應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料

8、的發(fā)展和應(yīng)用14超導零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1911年荷蘭的年荷蘭的卡茂林卡茂林昂尼斯昂尼斯教授用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導教授用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導線（線（-40），并將溫度降低到），并將溫度降低到269左右時，左右時，水銀導線的水銀導線的電阻突然完全消失，首次發(fā)現(xiàn)了超導體的零電阻現(xiàn)象。電阻突然完全消失，首次發(fā)現(xiàn)了超導體的零電阻現(xiàn)象。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用15邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)： 1933年德國物理學家邁斯納發(fā)現(xiàn)在超導態(tài)下，超導體內(nèi)部的磁場強度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)。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用16常規(guī)導體NorthSouth超

9、導體NorthSouth 外加磁場使超導體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在超導體內(nèi)產(chǎn)生外加磁場使超導體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在超導體內(nèi)產(chǎn)生的磁場和外磁場抵消，使超導體內(nèi)部磁場為零。的磁場和外磁場抵消，使超導體內(nèi)部磁場為零。完全抗磁性的原因完全抗磁性的原因低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用17零電阻現(xiàn)象是超導現(xiàn)象的必要條件,但是電阻為零叫理想導體超導體。 零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導體兩個最基本，而且互相獨立的屬性。 只有同時具有零電阻和完全抗磁性才能稱為超導體。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用18p早在早在1924年，基佐姆首先建議把熱力學用于討論超導態(tài)和正常態(tài)年，基

10、佐姆首先建議把熱力學用于討論超導態(tài)和正常態(tài)之間的相變問題，并與克盧修斯、恩德等人測量了液氦、錫和鋅之間的相變問題，并與克盧修斯、恩德等人測量了液氦、錫和鋅等元素的比熱，發(fā)現(xiàn)其在低溫下存在躍變，證明了等元素的比熱，發(fā)現(xiàn)其在低溫下存在躍變，證明了“這變化與超這變化與超導向非超導的轉(zhuǎn)變恰好重合，阻礙超導電性產(chǎn)生的磁場，也阻礙導向非超導的轉(zhuǎn)變恰好重合，阻礙超導電性產(chǎn)生的磁場，也阻礙比熱變化。向超導的轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)變熱無關(guān)。比熱變化。向超導的轉(zhuǎn)變與轉(zhuǎn)變熱無關(guān)。p1933年，厄任費斯托首次提出熱力學中二級相變的概念。拉特格年，厄任費斯托首次提出熱力學中二級相變的概念。拉特格斯將該理論應(yīng)用于超導體，得出了在超導轉(zhuǎn)

11、變點比熱的躍變同臨斯將該理論應(yīng)用于超導體，得出了在超導轉(zhuǎn)變點比熱的躍變同臨界場對溫度的導數(shù)間的關(guān)系界場對溫度的導數(shù)間的關(guān)系拉特格斯公式。拉特格斯公式。p1934年，基佐姆等驗證了實驗數(shù)據(jù)與拉特格斯公式的理論值，發(fā)年，基佐姆等驗證了實驗數(shù)據(jù)與拉特格斯公式的理論值，發(fā)現(xiàn)比熱躍變非常吻合，進一步暗示了熱力學在超導體研究中的應(yīng)現(xiàn)比熱躍變非常吻合，進一步暗示了熱力學在超導體研究中的應(yīng)用可行性。用可行性。p1934年，戈特和卡米希爾提出了超導相的二流體唯象模型。年，戈特和卡米希爾提出了超導相的二流體唯象模型?；裟穼嶒灮裟穼嶒灥蜏爻瑢Р牧系陌l(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用19p麥克斯韋、雷諾和席林等于

12、麥克斯韋、雷諾和席林等于1950年各自獨立測量了汞同位素年各自獨立測量了汞同位素的臨界溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超導體的臨界溫度和同位素的質(zhì)量有的臨界溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超導體的臨界溫度和同位素的質(zhì)量有關(guān)：關(guān)：p 其中其中M是同位素質(zhì)量，是同位素質(zhì)量，a=0.500.03.p實驗表明，電子向超導電子轉(zhuǎn)變的過程不受晶格振動影響，實驗表明，電子向超導電子轉(zhuǎn)變的過程不受晶格振動影響，從實驗上啟發(fā)了人們電子從實驗上啟發(fā)了人們電子-聲子相互作用可能是超導電性的根聲子相互作用可能是超導電性的根源。同位素效應(yīng)支持了弗列里?；陔娮釉?。同位素效應(yīng)支持了弗列里?；陔娮?聲子相互作用的超聲子相互作用的超導電性理論，為解決超導電性

13、的微觀圖像提供了有益的線索導電性理論，為解決超導電性的微觀圖像提供了有益的線索。同位素效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)同位素效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)acM T 常數(shù)低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用20約瑟夫森預言 1962年，劍橋大學博士后p在極薄絕緣層（厚度約為在極薄絕緣層（厚度約為1nm）隔開的兩個超導體斷面處，電流可以穿）隔開的兩個超導體斷面處，電流可以穿過絕緣層。過絕緣層。p只要電流不超過某一臨界值，則電流穿過絕緣層時將不產(chǎn)生電壓，該電只要電流不超過某一臨界值，則電流穿過絕緣層時將不產(chǎn)生電壓，該電流是沒有電阻的，稱為超導隧道電流。流是沒有電阻的，稱為超導隧道電流。p超導隧道電流與庫柏電子對相關(guān)，且電子對穿

14、越勢壘后仍保持為配對形超導隧道電流與庫柏電子對相關(guān)，且電子對穿越勢壘后仍保持為配對形式，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)。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)。超導隧道超導隧道效應(yīng)效應(yīng)低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用21BCS Theory (1957)解釋了超導電性現(xiàn)象的本質(zhì)解釋了超導電性現(xiàn)象的本質(zhì)Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了分享了1972年年Nobel物理學獎物理學獎低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用22在超導臨界溫度以下時，通過晶格振動（聲子）為媒介的間接作用使電子之間產(chǎn)生某種吸引力，克服庫倫排

15、斥從而導致自由電子將不再無序地“單獨行動”，并形成“電子對” BCS理論：lBCS理論不能解釋理論不能解釋30K以上的超導現(xiàn)象，特別是高溫超導。以上的超導現(xiàn)象，特別是高溫超導。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用23當溫度TTc時，熱運動使庫珀對被拆散為正常電子，超導態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。溫度對超導電性的影響：溫度愈低，結(jié)成的電子對愈多，電子對的結(jié)合愈牢固，超導電性越顯著。溫度越高，電子對因受熱運動的影響而遭到破壞，就失去了超導性。 低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用240 K: All motion ceases100oC = 373 K0oC = 273 K-135oC

16、 = 138 KCurrent High Temperature Superconductors77 KNitrogen liquifies4 KHelium liquifies低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用251911年，年，Hg，Tc4.2K1911-20年代，年代，24種純金屬，種純金屬，(Nb，Tc9.13K)1952, 硅化釩，硅化釩，Tc=17K1957年，年，BCS理論理論1960，第，第II類超導體鈮錫合類超導體鈮錫合金金1973年，年，Nb3Ge，Tc23.2K1987年，年，Y-Ba-Cu-O，Tc90K，超過液氮溫度，超過液氮溫度77K1993年，年，H

17、g-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高壓下（高壓下164K)超導材料的發(fā)展及其臨界溫度超導材料的發(fā)展及其臨界溫度低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用26低溫超導材料簡介低溫超導材料基礎(chǔ)理論低溫超導材料發(fā)展歷程低溫超導材料應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用27零電阻效應(yīng)完全抗磁性超導隧道效應(yīng)低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用28超導電力傳輸(零電阻的應(yīng)用）超導輸電電纜： 將超導電纜放于液氦冷卻介質(zhì)管道內(nèi)，保證整條輸電線路將超導電纜放于液氦冷卻介質(zhì)管道內(nèi)，保證整條輸電線路 在超導狀態(tài)下運行。在超導狀態(tài)下運行。超導電力傳輸?shù)膬?yōu)點：n超導輸電電纜比普通

18、的地下電纜超導輸電電纜比普通的地下電纜容量大容量大25倍倍,電能消耗僅為所電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾。輸送電能的萬分之幾。n傳統(tǒng)輸電需要高壓，因而有升壓，降壓設(shè)備。用超導線就傳統(tǒng)輸電需要高壓，因而有升壓，降壓設(shè)備。用超導線就不需不需要升壓降壓設(shè)備要升壓降壓設(shè)備。n重量輕、體積小，輸重量輕、體積小，輸 送大功率的超導傳輸線送大功率的超導傳輸線可鋪設(shè)在地下可鋪設(shè)在地下管管道內(nèi)，從而省去了許多傳輸線的架設(shè)鐵塔。道內(nèi)，從而省去了許多傳輸線的架設(shè)鐵塔。 低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用292004年年4月月19日在昆明普吉變電站投入運行，日在昆明普吉變電站投入運行，7月月10日正式

19、并網(wǎng)，是我國日正式并網(wǎng)，是我國第一組、世界上第三組并網(wǎng)試運行的超導電纜。第一組、世界上第三組并網(wǎng)試運行的超導電纜。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用30超導發(fā)電機（強磁場的應(yīng)用）超導發(fā)電機的優(yōu)點：磁場強度大磁場強度大：磁場強度達：磁場強度達20萬高斯，常規(guī)磁體最高萬高斯，常規(guī)磁體最高10萬高斯。萬高斯。耗電少耗電少：不產(chǎn)生熱量，除維持低溫外不消耗電能，通入一次電：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。流就可以一勞永逸。重量輕重量輕：5萬高斯的常規(guī)電磁體重達萬高斯的常規(guī)電磁體重達20噸，而用超導磁體重量噸，而用超導磁體重量 還不到還不到1千克。千克。在超

20、導體截面較小的線圈通以大電流，形成強磁場，這就是超導磁體。低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用31充電：合上開關(guān)合上開關(guān)S1，打開，打開S2和和S3時，超導線圈時，超導線圈Ls充電；充電；儲能：合上合上S2，打開，打開S1，在電路，在電路2中就有一個持續(xù)電流；中就有一個持續(xù)電流；放電：合上合上S3，打開，打開S2，儲存的電能就傳輸?shù)酵獠控撦d，儲存的電能就傳輸?shù)酵獠控撦d。超導儲能基本原理示意圖RS1S2S3負負載載電源電源Ls超導溫度超導溫度低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用32 超導磁懸浮列車是運用超導體的完全抗磁性，使列車完全脫超導磁懸浮列車是運用超導體的完全抗磁性，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為離軌道而懸浮行駛，成為“無輪無輪”列車。列車。 超導磁懸浮列車(a)常導磁吸型；常導磁吸型； (b)超導磁斥型超導磁斥型 低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用低溫超導材料的發(fā)展和應(yīng)用33日本開發(fā)的磁懸浮列車日本開發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV 于于1997年年12月在山梨縣的試驗線上創(chuàng)造月在山梨縣的試驗線上創(chuàng)造出每小時出每小時550公里的世界最高紀錄。公里的世界最高紀錄。 日本超導磁斥型，懸浮氣隙較大，一般為100mm上海常導磁吸型