第五章超導(dǎo)體

1、 5.2.4 半導(dǎo)體接觸半導(dǎo)體接觸 2 -結(jié)結(jié)一一.-結(jié)的形成結(jié)的形成在一塊在一塊 n 型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為型半導(dǎo)體。由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)的由于區(qū)的電子向區(qū)擴(kuò)散，區(qū)的空穴向區(qū)擴(kuò)散，空穴向區(qū)擴(kuò)散，在型半導(dǎo)體和在型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng)場(chǎng),稱為內(nèi)稱為內(nèi)建場(chǎng)建場(chǎng)。內(nèi)建場(chǎng)大到一定內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度程度,不再有凈電不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的這種

2、特附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，結(jié)，約約0.1 m厚。厚。P-N結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型內(nèi)建場(chǎng)阻止電子內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作散，記作 。阻阻EP-N結(jié)處存在電勢(shì)差結(jié)處存在電勢(shì)差Uo。 也阻止也阻止 N區(qū)區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向一步向P區(qū)區(qū)擴(kuò)散。擴(kuò)散。它阻止它阻止 P區(qū)區(qū)帶正電的空穴進(jìn)帶正電的空穴進(jìn)一步向一步向N區(qū)區(qū)擴(kuò)散；擴(kuò)散；U00eU 電子能級(jí)電子能級(jí)電勢(shì)曲線電勢(shì)曲線電子電勢(shì)能曲線電子電勢(shì)能曲線P-N結(jié)結(jié)考慮到考慮到P-結(jié)的存在，半導(dǎo)體中電子結(jié)的存在，半導(dǎo)體中電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)這內(nèi)建場(chǎng)帶來(lái)的電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)這內(nèi)建場(chǎng)帶來(lái)的電子附加勢(shì)能。附

3、加勢(shì)能。 電子的能帶電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象?？諑Э諑Э諑Э諑-N結(jié)結(jié)0eU 施主能級(jí)施主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶滿帶滿帶二二 . -結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? 正向偏壓正向偏壓在在-結(jié)結(jié)的的p型區(qū)接型區(qū)接電源正極，電源正極，叫正向偏壓。叫正向偏壓。阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄，阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄，有利于空穴有利于空穴向向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，區(qū)運(yùn)動(dòng)， 形成正向電流（形成正向電流（m級(jí)）。級(jí)）。Ep型型n型型I阻阻E外加正向電壓越大，外加正向電壓越大，正向電流也越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的而且是呈非線性的伏安特性伏安特性(圖為鍺管圖為鍺管)。V（

4、伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I. 反向偏壓反向偏壓在在-結(jié)的型區(qū)接電源負(fù)極結(jié)的型區(qū)接電源負(fù)極,叫反向偏壓。叫反向偏壓。阻擋層勢(shì)壘增阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，大、變寬，不不利于空穴向利于空穴向區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子向利于電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)區(qū)運(yùn)動(dòng),沒有正沒有正向電流。向電流。Ep型型n型型I阻阻E但是，由于少數(shù)但是，由于少數(shù)載流子的存在，載流子的存在，會(huì)形成很弱的反會(huì)形成很弱的反向電流，向電流，當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng),反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大反向電流會(huì)急劇增大-反向擊穿。反向擊穿。稱為漏電流稱為漏電流（ 級(jí)）。級(jí)）。擊穿電壓擊穿電壓

5、V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30利用利用P-N結(jié)結(jié) 可以作成具有整流、開關(guān)等可以作成具有整流、開關(guān)等作用的晶體二極管作用的晶體二極管（diode）。）。超導(dǎo)現(xiàn)象及其基本概念超導(dǎo)現(xiàn)象及其基本概念 技術(shù)上的重大成就往往技術(shù)上的重大成就往往帶來(lái)科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)。帶來(lái)科學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)。1908年荷蘭物理學(xué)家年荷蘭物理學(xué)家H.K.Onners成功地獲得了液氦，使得可成功地獲得了液氦，使得可以獲得低達(dá)以獲得低達(dá)4.2K的低溫技術(shù)。的低溫技術(shù)。這樣，他就利用這項(xiàng)技術(shù)試這樣，他就利用這項(xiàng)技術(shù)試驗(yàn)金屬在低溫下時(shí)的電阻。驗(yàn)金屬在低溫下時(shí)的電阻。三年后的三年后的1911年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)年，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)Hg在液

6、氦中溫度下降到在液氦中溫度下降到4.2K時(shí)，其電阻出現(xiàn)反常現(xiàn)象，時(shí)，其電阻出現(xiàn)反常現(xiàn)象，迅速降低到無(wú)法檢測(cè)的程度。迅速降低到無(wú)法檢測(cè)的程度。這是人類第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)這是人類第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。象。 5.3 超導(dǎo)體 不久，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)了其他幾種金屬也可進(jìn)入不久，昂尼斯又發(fā)現(xiàn)了其他幾種金屬也可進(jìn)入“超超導(dǎo)態(tài)導(dǎo)態(tài)”，如錫和鉛。錫的轉(zhuǎn)變，如錫和鉛。錫的轉(zhuǎn)變 溫度為溫度為3.8K，鉛的，鉛的轉(zhuǎn)變溫度為轉(zhuǎn)變溫度為6K。由于這兩種金屬的易加工特性，。由于這兩種金屬的易加工特性，就可以在無(wú)電阻狀就可以在無(wú)電阻狀 態(tài)下進(jìn)行種種電子學(xué)試驗(yàn)。此態(tài)下進(jìn)行種種電子學(xué)試驗(yàn)。此后，人們對(duì)金屬元素進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈹、鈦、鋅、后

7、，人們對(duì)金屬元素進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈹、鈦、鋅、鎵、鎵、 鋯、鋁、锘等鋯、鋁、锘等24種元素是超導(dǎo)體。從此，超種元素是超導(dǎo)體。從此，超導(dǎo)體的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。導(dǎo)體的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。 基本概念基本概念 材料的電阻隨著溫度的降低會(huì)發(fā)生降材料的電阻隨著溫度的降低會(huì)發(fā)生降低，某些材料會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度降低到某一程度時(shí)出現(xiàn)低，某些材料會(huì)出現(xiàn)當(dāng)溫度降低到某一程度時(shí)出現(xiàn)電阻突然消失的現(xiàn)象，我們稱之為超導(dǎo)現(xiàn)象電阻突然消失的現(xiàn)象，我們稱之為超導(dǎo)現(xiàn)象。人們。人們將這種以零電阻為特征的材料狀態(tài)稱作為超導(dǎo)態(tài)。將這種以零電阻為特征的材料狀態(tài)稱作為超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)體從正常狀態(tài)（電阻態(tài)）過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)（零電超導(dǎo)體從正常狀態(tài)

8、（電阻態(tài)）過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)（零電阻態(tài)）的轉(zhuǎn)變稱作正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時(shí)的阻態(tài)）的轉(zhuǎn)變稱作正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度溫度T TC C稱作這種超導(dǎo)體的臨界溫度。也就是說(shuō)，零稱作這種超導(dǎo)體的臨界溫度。也就是說(shuō)，零電阻和轉(zhuǎn)變溫度電阻和轉(zhuǎn)變溫度T TC C是超導(dǎo)體的第一特征。是超導(dǎo)體的第一特征。 R/R04.0004.400.00000.00050.00100.00150.0020T/K臨界溫度臨界溫度低溫下汞的電阻溫度關(guān)系低溫下汞的電阻溫度關(guān)系 對(duì)于氧化物對(duì)于氧化物超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度范圍較寬溫度范圍較寬.0.9R00.5R00.1R0R0TORTeTmTs氧化物超

9、導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度氧化物超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度 電阻從起始電阻從起始轉(zhuǎn)變處下降到一轉(zhuǎn)變處下降到一半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度半時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度定義為轉(zhuǎn)變溫度定義為轉(zhuǎn)變溫度. . TDTD （1 1）零電阻）零電阻 超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻完全超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有電流，該電流將消失，若形成回路，一旦回路中有電流，該電流將無(wú)衰減地持續(xù)下去無(wú)衰減地持續(xù)下去. . （2 2）臨界磁場(chǎng)與臨界電流）臨界磁場(chǎng)與臨界電流 材料的超導(dǎo)態(tài)可材料的超導(dǎo)態(tài)可以被外加磁場(chǎng)破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導(dǎo)以被外加磁場(chǎng)破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng)態(tài)所需的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為臨界磁場(chǎng). .臨

10、界磁場(chǎng)的臨界磁場(chǎng)的存在，限制了超導(dǎo)體中能夠通過(guò)的電流存在，限制了超導(dǎo)體中能夠通過(guò)的電流. .當(dāng)通過(guò)超當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體的電流超過(guò)某一電流值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，導(dǎo)體的電流超過(guò)某一電流值時(shí)，超導(dǎo)態(tài)被破壞，此電流稱為臨界電流此電流稱為臨界電流. .5.3.1 超導(dǎo)態(tài)的重要特征 逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)楹螅瑢?dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所正常態(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)，需的最小磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)，記為記為Hc。有經(jīng)驗(yàn)公式：有經(jīng)驗(yàn)公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2)正常態(tài)正常態(tài)HHc(0)TcT超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài) 超導(dǎo)體無(wú)阻載流的能

11、力也超導(dǎo)體無(wú)阻載流的能力也是有限的，當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體中是有限的，當(dāng)通過(guò)超導(dǎo)體中的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，的電流達(dá)到某一特定值時(shí)，又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)又會(huì)重新出現(xiàn)電阻，使其產(chǎn)生這一相變的電流稱為臨界生這一相變的電流稱為臨界電流，記為電流，記為Ic。目前，常用。目前，常用電場(chǎng)描述電場(chǎng)描述Ic(V) ，即當(dāng)每厘米，即當(dāng)每厘米樣品長(zhǎng)度上出現(xiàn)電壓為樣品長(zhǎng)度上出現(xiàn)電壓為1 V時(shí)所輸送的電流。時(shí)所輸送的電流。Ic(V)IV失超 邁斯納效應(yīng)又叫完全抗邁斯納效應(yīng)又叫完全抗磁性，磁性，1933年邁斯納發(fā)現(xiàn)，年邁斯納發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排體內(nèi)的磁通量將全部被排出體

12、外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。通量排出體外。NNS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S注：注：S表示超導(dǎo)態(tài)表示超導(dǎo)態(tài)N表示正常態(tài)表示正常態(tài)觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗(yàn)在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，小磁鐵會(huì)離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動(dòng)了，這是由于磁鐵的磁便懸空不動(dòng)了，

13、這是由于磁鐵的磁力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)力線不能穿過(guò)超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場(chǎng)，與磁鐵之間產(chǎn)出持續(xù)電流的磁場(chǎng)，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。力相平衡時(shí)，就懸浮不動(dòng)了。o 正常金屬低溫比熱容AT+BT3o 在TTC的零磁場(chǎng)下，超導(dǎo)體比熱容發(fā)生根本改變o 電子對(duì)熱容的線性貢獻(xiàn)變?yōu)橹笖?shù)形式o 對(duì)于低溫超導(dǎo)體，理論和實(shí)驗(yàn)都表明能隙 具有kTC量級(jí)2exp/()kT5.3.2超導(dǎo)體三個(gè)性能指標(biāo)201cccTBBT5.3.3 兩類超導(dǎo)體o 有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)：下臨界磁場(chǎng)

14、和上臨界磁場(chǎng)o 在溫度低于Tc條件下，外磁場(chǎng)BaBc1時(shí)，II類超導(dǎo)體與I類超導(dǎo)體相似，都處于邁斯納狀態(tài)（B=0），當(dāng)外磁場(chǎng)Ba介于Bc1和Bc2之間時(shí)，II類超導(dǎo)體處于混合態(tài)（也稱渦旋態(tài)）o 部分區(qū)域有磁感應(yīng)線穿過(guò)，屬于正常態(tài)，它的周圍卻是超導(dǎo)態(tài)o 超導(dǎo)態(tài)仍具有零電阻特性o 當(dāng)外磁場(chǎng)Ba達(dá)到Bc2時(shí)，正常態(tài)數(shù)目增多到彼此相接觸，整體超導(dǎo)體都變成了正常態(tài)o II類超導(dǎo)體按其磁化曲線是否可逆，又分為理想的和非理想的II超導(dǎo)體5.3.4超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)o BCS理論（巴丁J. Bardeen，庫(kù)柏L. N. Cooper，施瑞弗J. R. Sehriffer）o 超導(dǎo)體中的電子在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電子之

15、間存在著特殊的吸引力，而不是正常態(tài)時(shí)電子之間的靜電斥力o 使電子雙雙結(jié)成電子對(duì)（超導(dǎo)態(tài)電子與晶格點(diǎn)陣間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果）o 產(chǎn)生庫(kù)柏電子對(duì)（動(dòng)量和自旋方向相反的兩個(gè)電子） 19571957年巴?。臧投。↗.Bardeen) )、庫(kù)（、庫(kù)（L.V.Cooper) )和施里弗（和施里弗（J.R.Schrieffer) )提出一個(gè)超導(dǎo)電性的微提出一個(gè)超導(dǎo)電性的微觀理論，稱為觀理論，稱為BCS理論理論. . 從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變非常迅速，因此人從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變非常迅速，因此人們?cè)O(shè)想這種變化應(yīng)該是電子態(tài)的轉(zhuǎn)變，因電子的們?cè)O(shè)想這種變化應(yīng)該是電子態(tài)的轉(zhuǎn)變，因電子的質(zhì)量小、反應(yīng)快；但是同位素效應(yīng)又

16、說(shuō)明這種轉(zhuǎn)質(zhì)量小、反應(yīng)快；但是同位素效應(yīng)又說(shuō)明這種轉(zhuǎn)變與晶格的質(zhì)量有一定關(guān)系變與晶格的質(zhì)量有一定關(guān)系.格波格波 電子在離子晶格間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子密度有起電子在離子晶格間運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子密度有起伏，當(dāng)電子在某處集中時(shí)，會(huì)對(duì)附近的離子晶格伏，當(dāng)電子在某處集中時(shí)，會(huì)對(duì)附近的離子晶格產(chǎn)生吸引，從而使離子產(chǎn)生振動(dòng)，并以波的形式產(chǎn)生吸引，從而使離子產(chǎn)生振動(dòng)，并以波的形式在點(diǎn)陣中傳播，這種波稱為格波在點(diǎn)陣中傳播，這種波稱為格波.聲子聲子 格波是量子化的，其量子稱為聲子格波是量子化的，其量子稱為聲子. .形成格形成格波的過(guò)程相當(dāng)于電子發(fā)射出一個(gè)聲子波的過(guò)程相當(dāng)于電子發(fā)射出一個(gè)聲子. .庫(kù)珀對(duì)庫(kù)珀對(duì) 傳播著的正電荷區(qū)又

17、可以吸引另一個(gè)運(yùn)動(dòng)傳播著的正電荷區(qū)又可以吸引另一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的電子，相當(dāng)于電子吸引了聲子，兩個(gè)電子通過(guò)著的電子，相當(dāng)于電子吸引了聲子，兩個(gè)電子通過(guò)交換聲子產(chǎn)生了間接的吸引作用交換聲子產(chǎn)生了間接的吸引作用. 對(duì)于某些材料，對(duì)于某些材料，在一定的低溫條件下，交換聲子的兩個(gè)電子可以束在一定的低溫條件下，交換聲子的兩個(gè)電子可以束縛在一起形成一個(gè)電子對(duì)，稱為庫(kù)珀對(duì)縛在一起形成一個(gè)電子對(duì)，稱為庫(kù)珀對(duì).電子A1p電子B2p（聲子）q 電子電子A 聲子聲子 電子電子B2pq+1pq-BCS理論理論 處在超導(dǎo)態(tài)的電子，不是單獨(dú)一個(gè)個(gè)存在的，而是處在超導(dǎo)態(tài)的電子，不是單獨(dú)一個(gè)個(gè)存在的，而是配成庫(kù)珀對(duì)存在的，配對(duì)的電子

18、，其自旋方向相反，動(dòng)量配成庫(kù)珀對(duì)存在的，配對(duì)的電子，其自旋方向相反，動(dòng)量的大小相等而方向相反，總動(dòng)量為零的大小相等而方向相反，總動(dòng)量為零. .庫(kù)珀對(duì)作為整體與庫(kù)珀對(duì)作為整體與晶格作用，因此一個(gè)電子若從晶體得到動(dòng)量，則另一個(gè)電晶格作用，因此一個(gè)電子若從晶體得到動(dòng)量，則另一個(gè)電子必失去動(dòng)量，作為整體，不與晶格交換動(dòng)量，也不交換子必失去動(dòng)量，作為整體，不與晶格交換動(dòng)量，也不交換能量，能自由地通過(guò)晶格，因此沒有電阻能量，能自由地通過(guò)晶格，因此沒有電阻. . 當(dāng)溫度大于臨界溫度時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使庫(kù)珀對(duì)分散為正當(dāng)溫度大于臨界溫度時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使庫(kù)珀對(duì)分散為正常電子，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài)常電子，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài). 當(dāng)磁場(chǎng)

19、強(qiáng)度達(dá)到臨界強(qiáng)度時(shí)，磁能密度等于庫(kù)珀對(duì)當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界強(qiáng)度時(shí)，磁能密度等于庫(kù)珀對(duì)的結(jié)合能密度，所有庫(kù)珀對(duì)都獲得能量而被撤散，超導(dǎo)的結(jié)合能密度，所有庫(kù)珀對(duì)都獲得能量而被撤散，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài)態(tài)轉(zhuǎn)為正常態(tài).5.3.5 超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)體的應(yīng)用 過(guò)去在供電線路上啟動(dòng)一個(gè)大的常規(guī)電磁體耗電過(guò)多甚至?xí)挂粋€(gè)城市過(guò)去在供電線路上啟動(dòng)一個(gè)大的常規(guī)電磁體耗電過(guò)多甚至?xí)挂粋€(gè)城市的燈光變暗。利用超導(dǎo)磁體就沒有這個(gè)問題了，一個(gè)五萬(wàn)高斯的中型常的燈光變暗。利用超導(dǎo)磁體就沒有這個(gè)問題了，一個(gè)五萬(wàn)高斯的中型常規(guī)電磁體可重達(dá)規(guī)電磁體可重達(dá)2020噸，而超導(dǎo)磁體只不過(guò)幾十公斤。造成重量差別如此噸，而超導(dǎo)磁體只不過(guò)幾十公斤

20、。造成重量差別如此懸殊的主要原因是由于超導(dǎo)線的載流能力比普通導(dǎo)線高出成百上千倍的懸殊的主要原因是由于超導(dǎo)線的載流能力比普通導(dǎo)線高出成百上千倍的緣故，另外由于電阻產(chǎn)生熱量的緣故，常規(guī)電磁體在磁場(chǎng)太高時(shí)，由于緣故，另外由于電阻產(chǎn)生熱量的緣故，常規(guī)電磁體在磁場(chǎng)太高時(shí)，由于大電流產(chǎn)生的熱量也較大，會(huì)導(dǎo)致電線絕緣體的熔解，這就造成了一個(gè)大電流產(chǎn)生的熱量也較大，會(huì)導(dǎo)致電線絕緣體的熔解，這就造成了一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度最高限的問題。超導(dǎo)磁體發(fā)熱量小，所以沒有這個(gè)限制，同時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度最高限的問題。超導(dǎo)磁體發(fā)熱量小，所以沒有這個(gè)限制，同時(shí)體積和質(zhì)量也較小，因此有很大的優(yōu)勢(shì)?？茖W(xué)研究中用超導(dǎo)體制造的離體積和質(zhì)量也較小，因此有

21、很大的優(yōu)勢(shì)?？茖W(xué)研究中用超導(dǎo)體制造的離子加速器體積更小，加速效果也更好。發(fā)電機(jī)的輸出容量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、子加速器體積更小，加速效果也更好。發(fā)電機(jī)的輸出容量與磁感應(yīng)強(qiáng)度、電樞電流密度成正比，用銅鐵等制成常規(guī)電機(jī)由于受磁化電荷的飽和強(qiáng)電樞電流密度成正比，用銅鐵等制成常規(guī)電機(jī)由于受磁化電荷的飽和強(qiáng)度所限，磁感應(yīng)強(qiáng)度難以大幅增加。若采用超導(dǎo)材料，磁感應(yīng)強(qiáng)度可提度所限，磁感應(yīng)強(qiáng)度難以大幅增加。若采用超導(dǎo)材料，磁感應(yīng)強(qiáng)度可提高高5-155-15倍，而載流能力可以提高倍，而載流能力可以提高10-10010-100倍。這樣超導(dǎo)電機(jī)的輸出功率就倍。這樣超導(dǎo)電機(jī)的輸出功率就可以大大增加，同時(shí)電機(jī)重量也可以大大減輕。

22、可以大大增加，同時(shí)電機(jī)重量也可以大大減輕。 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(wàn)6萬(wàn)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(wàn)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)，擁有兩萬(wàn)千瓦的功率300KW超導(dǎo)單極300發(fā)電機(jī) 完全導(dǎo)電性的運(yùn)用完全導(dǎo)電性的運(yùn)用 超導(dǎo)體的零電阻性在電能輸送、能源的節(jié)約上超導(dǎo)體的零電阻性在電能輸送、能源的節(jié)約上的運(yùn)用仍然是最主要的運(yùn)用之一。當(dāng)前為了的運(yùn)用仍然是最主要的運(yùn)用之一。當(dāng)前為了降低費(fèi)用，長(zhǎng)距離輸電主要采用高壓架空降低費(fèi)用，長(zhǎng)距離輸電主要采用高壓架空（HVOHHVOH）線路?，F(xiàn)在

23、實(shí)際運(yùn)行的線路最高電）線路。現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行的線路最高電壓是單相壓是單相765KV765KV。隨著電壓的增加和功率水平。隨著電壓的增加和功率水平的提高，在人口密集的大城市里這樣的通道的提高，在人口密集的大城市里這樣的通道是很不經(jīng)濟(jì)，甚至是不可能的。然而超導(dǎo)電是很不經(jīng)濟(jì)，甚至是不可能的。然而超導(dǎo)電纜比任何技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有較高的功率密纜比任何技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手有較高的功率密度。度。超導(dǎo)輸電線路 超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無(wú)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，約有無(wú)損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁

24、導(dǎo)線輸電，約有15%15%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)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)10001000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。廠。超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維)電纜芯、低溫容器、終端和冷卻系統(tǒng)四個(gè)部分高溫超導(dǎo)電纜的國(guó)際市場(chǎng)在2010年左右可望達(dá)到15億美元鉍系高溫超導(dǎo)直流電纜 超導(dǎo)變壓器超導(dǎo)電機(jī)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)/ /正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，有正常態(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)

25、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：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)增強(qiáng)電力系統(tǒng)的的安全性安全性；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)提高電力質(zhì)量量；4.4. 能夠與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容；能夠與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施兼容；5.5. 通過(guò)通過(guò)調(diào)節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性；調(diào)節(jié)允許的電流峰值增加電力系統(tǒng)的靈活性；6.6. 減少減少電力系統(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)備的更新以降低成本；設(shè)備的更新以降低成本；7. 7. 提高系統(tǒng)的

26、運(yùn)行容量。提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量。 專家們預(yù)言，就高溫超導(dǎo)體在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用專家們預(yù)言，就高溫超導(dǎo)體在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用而言，最先得到實(shí)際應(yīng)用的將可能是超導(dǎo)限流器。并而言，最先得到實(shí)際應(yīng)用的將可能是超導(dǎo)限流器。并預(yù)計(jì)，超導(dǎo)限流器的國(guó)際市場(chǎng)在預(yù)計(jì)，超導(dǎo)限流器的國(guó)際市場(chǎng)在20102010年左右將可望達(dá)年左右將可望達(dá)到到3535億美元億美元超導(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)線圈將電磁能直超導(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(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)接儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、

27、變流裝置和線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.1. 可長(zhǎng)期無(wú)損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效可長(zhǎng)期無(wú)損耗地儲(chǔ)存能量，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)率可達(dá)95%95%； 2. 2.可通過(guò)采用電力電子器件的變流器可通過(guò)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)速度快（毫秒實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的連接，響應(yīng)速度快（毫秒級(jí)）；級(jí)）； 3. 3. 由于其儲(chǔ)能量與功率調(diào)制系統(tǒng)的容由于其儲(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)選取，可建成所需量可獨(dú)立地在大范圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)；的大功率和大能量系統(tǒng)； 4. 4. 除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部除了真空和制冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部分，使用壽命長(zhǎng)；分，使用壽命長(zhǎng)； 5. 5.在