超導(dǎo)體以及超導(dǎo)體的應(yīng)用簡單介紹

1、 吳瑾照 2014-5-12超導(dǎo)體以及超導(dǎo)體以及超導(dǎo)體應(yīng)用超導(dǎo)體應(yīng)用超導(dǎo)原理1913年 荷蘭實驗物理學(xué)家昂內(nèi)斯，他在1911年首次發(fā)現(xiàn)低溫條件下的某些金屬有超導(dǎo)現(xiàn)象，并由此開拓了低溫物理學(xué)和超導(dǎo)物理學(xué)這些新的物理分支，從而獲得當(dāng)年的物理學(xué)獎。 2.1972年 巴?。↗ohn Bardeen）、庫珀（Leon North Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）因發(fā)現(xiàn)稱為BCS理論的超導(dǎo)理論，共同分享了1972年度諾貝爾物理學(xué)獎。3.1973年 江崎玲于奈（Leo Esaki）和加埃沃（Ivar Giaever）因分別發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和超導(dǎo)體中的隧道貫穿、約瑟夫森（Bri

2、an David Josephson）因從理論上預(yù)言了通過隧道阻擋層的超電流的性質(zhì)，特別是被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”的實驗現(xiàn)象，共同分享了1973年度諾貝爾物理學(xué)獎。4.1987年 柏諾茲(J. Georg Bednor)和繆勒(Karl A. Muller)因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導(dǎo)電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎。超導(dǎo)原理電阻： 電流是導(dǎo)體中電子的定向移動，電子在原子間移動時，由于原子與原子核間的電磁力作用會引起原子振動。這個振動就是電阻產(chǎn)生的原因。超導(dǎo)體中存在著電子對，這些電子對可以平穩(wěn)地通過由失去部分電子的原子所組成的通道。不會引起原子振動，即超導(dǎo)現(xiàn)象。 1911年，荷蘭萊

3、頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎。在他之后，人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)歷史超導(dǎo)歷史1911年，昂內(nèi)斯在液氦溫度下研究金屬的電阻與溫度的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)溫度T=4.2K附近水銀樣品的電阻從0.125歐姆突然降至零，他把這種現(xiàn)象稱為零電阻性或超導(dǎo)電性。出現(xiàn)超導(dǎo)電現(xiàn)象的那個溫度稱為臨界溫度或轉(zhuǎn)變溫度，用TC表示。自1911年以后，又發(fā)現(xiàn)了23種純金屬也具有超導(dǎo)性。包括水

4、銀在內(nèi)，24種純金屬超導(dǎo)材料的臨界溫度范圍為0.1K9.13K，最高溫度為9.13K的是鈮元素。1950年，科學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)向了合金和化合物。1952年，發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為17K的硅化釩，不久又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為18K的鈮錫合金，這在當(dāng)時是最高的臨界溫度，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了若干鈮系列合金超導(dǎo)體。超導(dǎo)歷史超導(dǎo)歷史1973年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鈮鍺合金，其臨界溫度為23.3K，該紀(jì)錄保持了13年。1986年，米勒和貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了一種氧化物（鑭-鋇-銅-氧化物陶瓷超導(dǎo)材料）具有35K的高溫超導(dǎo)性，突破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念。1986年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K

5、，液氫的“溫度壁壘”被跨越。超導(dǎo)歷史超導(dǎo)歷史1987年，中國科學(xué)家趙忠賢在釔-鋇-銅-氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)（77K）也被突破了，這使超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮的氣化溫度，使資源豐富、價格低廉的液氮作為超導(dǎo)體工作的冷卻劑成為可能。人們將這類銅基氧化物超導(dǎo)（TC77K)叫做高溫超導(dǎo)體。1987年底鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的紀(jì)錄提高到125K。1991年發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性。1993年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度為133K的汞-鋇-鈣-氧系材料邁斯納效應(yīng)零電阻現(xiàn)象如何判定一種材料是不是超導(dǎo)體？約瑟夫遜效應(yīng)在一個淺平的錫盤

6、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，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動了。這是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無法穿透超導(dǎo)體，磁場發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個向上的浮力。在較高的溫度時是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，甚至是絕緣體，可是當(dāng)溫度降到某一特定值Tc時，它的直流電阻突然下降為零的這一現(xiàn)象。在線形量子力學(xué)中，由于電子等微觀粒子具有波粒二象性，當(dāng)兩塊金屬被一層厚度為幾十至幾百A的絕緣介質(zhì)隔開時，電子等都可穿越勢壘而運動。加電壓后，可形成隧道電流，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 若把上述裝置中的兩塊金屬換成超導(dǎo)體后，當(dāng)其介質(zhì)層厚度減

7、少到30A左右時，由超導(dǎo)電子對的長程相干效應(yīng)也會產(chǎn)生隧道效應(yīng)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)超導(dǎo)的分類通過材料對于磁場的相應(yīng)可以把它們分為第一類超導(dǎo)和第二類超導(dǎo)對于第一類超導(dǎo)體只存在一個單一的臨界磁場，超過臨界磁場的時候，超導(dǎo)性消失；對于第二類超導(dǎo)體，他們有兩個臨界磁場值，在兩個臨界值之間，材料允許部分磁場穿透材料。通過解釋的理論不同可以把它們分為：傳統(tǒng)超導(dǎo)體和非傳統(tǒng)超導(dǎo)體通過材料達(dá)到超導(dǎo)的臨界溫度可以把它們分為高溫超導(dǎo)體和低溫超導(dǎo)體超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)體的應(yīng)用 超導(dǎo)體可以有非常大的用途，這也是各國科學(xué)家努力研究超導(dǎo)的重要原因。用超導(dǎo)體輸送電能可以大大減少消耗，用高溫超導(dǎo)體材料加工的電纜，其載流能力是常用銅絲的

8、1200倍；利用超導(dǎo)體可以形成強大的磁場，可以用來制造粒子加速器等，如用于磁懸浮列車，列車時速可達(dá)500千米；利用超導(dǎo)體對溫度非常敏感的性質(zhì)可以制造靈敏的溫度探測器。超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā) 電機、磁流體發(fā)電機和超導(dǎo)輸電線路等。人們現(xiàn)在正不斷地尋找新的超導(dǎo)體，其主要方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導(dǎo)體材料，即“高溫超導(dǎo)體”(這里的高溫是相對而言的)。

9、20世紀(jì)80年代末，世界上掀起了尋找高溫超導(dǎo)體的熱潮，1986年出現(xiàn)氧化物超導(dǎo)體，其臨界溫度超過了125K，在這個溫度區(qū)上，超導(dǎo)體可以用廉價而豐富的液氮來冷卻。此后，科學(xué)家們不懈努力，在高壓狀態(tài)下把臨界溫度提高到了164K(-109)。1998年中國科學(xué)家研制成功了第一根鉍系高溫超導(dǎo)輸電電纜。這一成功極大地推進(jìn)了中國高溫超導(dǎo)技術(shù)的實用化進(jìn)程。高溫超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計算機、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。超導(dǎo)發(fā)電大笨重

10、效率低一種超導(dǎo)電磁流發(fā)電裝置，是由一組直流線圈和輸出接線端與多組交流線圈和輸出接線端構(gòu)成的內(nèi)口為方型或其它形狀中空的線圈組與插在中空腔內(nèi)的截面為方型或其它形狀的長條型超導(dǎo)磁體構(gòu)成超導(dǎo)輸電在傳輸過程中電能由于導(dǎo)線的電阻產(chǎn)生的損耗由于傳統(tǒng)的導(dǎo)線的限制，為了達(dá)到輸電量的要求，所需要的設(shè)備設(shè)施，產(chǎn)生的建造費用減少傳輸過程中的損耗，磁懸浮由于超導(dǎo)體具有完全抗磁性，在車廂底部裝備的超導(dǎo)線圈，路軌上沿途安放金屬環(huán)，就構(gòu)成懸浮列車。當(dāng)列車啟動時，由于金屬環(huán)切割磁力線，將產(chǎn)生與超導(dǎo)磁場方向相反的感生磁場。根據(jù)同性相斥原理，列車受到向上推力而懸浮。磁懸浮說說導(dǎo)軌與機車間不存在任何實際接觸，沒有摩擦，時速可達(dá)幾百公

11、里；磁懸浮列車可靠性大，維修簡便，成本低，能源消耗僅是汽車的一半、飛機的四分之一；噪聲小，時速達(dá)300公里/小時，噪聲只有65分貝；以電為動力，沿線不排放廢氣，無污染，是一種綠色環(huán)保的交通工具。核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”：核聚變反應(yīng)時，內(nèi)部溫度高達(dá)1億度2億度，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)生的強磁場可以作為“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)應(yīng)用前景最廣闊的新能源。超導(dǎo)體超級計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模

12、集成電路面臨的難題。超導(dǎo)體計算機中的超大規(guī)模集成電路中各個元件之間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，可以提高計算機的運算速度。鐵基超導(dǎo)根據(jù)BCS理論，產(chǎn)生超導(dǎo)性的必要條件是材料中的電子必須配對，這樣配對的電子稱為庫柏對。庫柏對中的兩個電子自旋相反，所以總自旋為零，因而科學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)性與鐵磁性可能無法共存，材料中如果加入磁性元素（如鐵、鎳）會大大降低超導(dǎo)性。鐵基超導(dǎo)體雖然含有鐵元素且是產(chǎn)生超導(dǎo)的主體，但是鐵和其他元素（如砷、硒）形成鐵基平面后，已不再具有鐵磁性。超導(dǎo)體的發(fā)展前景1、利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能等