專題應(yīng)用：超導(dǎo)材料-共52頁P(yáng)PT課件

1、超導(dǎo)材料福建農(nóng)林大學(xué)材料科學(xué)與工程系超導(dǎo)材料主要內(nèi)容零電阻現(xiàn)象1 完全抗磁性邁斯納效應(yīng)2 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因BCS理論 3超導(dǎo)臨界條件4第一類和第二類超導(dǎo)體5超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史6超導(dǎo)材料的應(yīng)用723451本節(jié)需掌握的重點(diǎn) 超導(dǎo)體兩個(gè)基本特征：零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)； 超導(dǎo)體零電阻和完全抗磁性的原因； 超導(dǎo)體的三個(gè)臨界條件； 超導(dǎo)體的兩種基本類型； 超導(dǎo)體的主要應(yīng)用。1.4.1. 零電阻現(xiàn)象常規(guī)導(dǎo)體電阻的成因： 常規(guī)導(dǎo)體在傳輸電流時(shí)，電子會(huì)與導(dǎo)體原子組成的晶體點(diǎn)陣發(fā)生相互作用，將能量傳遞給晶格原子，晶格原子振動(dòng)產(chǎn)生熱量，造成電能的損失。常規(guī)導(dǎo)體電阻的負(fù)面作用：電力傳輸中電阻發(fā)熱，浪費(fèi)資源，增加用

2、電成本；超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1.4.1. 零電阻現(xiàn)象1911年荷蘭的卡茂林昂尼斯教授用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導(dǎo)線（-40），并將溫度降低到269左右時(shí)，水銀導(dǎo)線的電阻突然完全消失，首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象。邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)： 1933年德國物理學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場強(qiáng)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)。1.4.2. 邁斯納效應(yīng)完全抗磁性的原因1.4.2. 邁斯納效應(yīng)常規(guī)導(dǎo)體NorthSouth超導(dǎo)體NorthSouth 外加磁場使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的磁場和外磁場抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零。 零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)現(xiàn)象的必要條件， 但

3、是電阻為零叫理想導(dǎo)體超導(dǎo)體。 零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導(dǎo)體兩 個(gè)最基本，而且互相獨(dú)立的屬性。 只有同時(shí)具有零電阻和完全抗磁性才 能稱為超導(dǎo)體。1.4.2. 邁斯納效應(yīng)1.4.2. 邁斯納效應(yīng) 北京有色金屬研究總院研制的超導(dǎo)材料顯示的邁斯納效應(yīng)1.4.3. 超導(dǎo)隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)： 電子具有穿過比其自身能量還要高的勢壘的本領(lǐng)。當(dāng)然，穿透幾率隨勢壘的高度和寬度的增加而迅速減小。 例如：在兩塊常規(guī)導(dǎo)體Al中間夾入一層很薄的勢壘（10-10m的絕緣層），在兩塊Al之間加上電勢差，就有電流流過絕緣層，該電流是有電阻的，這是正常導(dǎo)體的量子隧道效應(yīng)。約瑟夫森預(yù)言 1962年，劍橋大學(xué)的博士后在極薄絕緣層

4、（厚度約為1nm）隔開的兩個(gè)超導(dǎo)體斷面處，電流可以穿過絕緣層。只要電流不超過某一臨界值，則電流穿過絕緣層時(shí)將不產(chǎn)生電壓，該電流是沒有電阻的，稱為超導(dǎo)隧道電流。超導(dǎo)隧道電流與庫柏電子對(duì)相關(guān)，且電子對(duì)穿越勢壘后仍保持為配對(duì)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)。1.4.3. 超導(dǎo)隧道效應(yīng)1.4.4. 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因當(dāng)在超導(dǎo)臨界溫度以下時(shí)，通過晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接作用使電子之間產(chǎn)生某種吸引力，克服庫倫排斥從而導(dǎo)致自由電子將不再無序地“單獨(dú)行動(dòng)”，并形成“電子對(duì)”。 BCS理論：BCS理論不能解釋30K以上的超導(dǎo)現(xiàn)象，特別是高溫超導(dǎo)。電子對(duì)概念當(dāng)溫度TTc時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)使庫珀對(duì)

5、被拆散為正常電子，超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。1.4.4. 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因聲子的交互作用使得庫倫排斥的兩個(gè)電子產(chǎn)生吸引形成電子對(duì)。兩個(gè)電子組成電子對(duì)后，其中一個(gè)即使受到晶格振動(dòng)或雜質(zhì)的阻礙，另一個(gè)電子也會(huì)起調(diào)節(jié)作用，使電子通路不受影響，從而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象。溫度對(duì)超導(dǎo)電性的影響： 溫度愈低，結(jié)成的電子對(duì)愈多，電子對(duì)的結(jié)合愈牢固，超導(dǎo)電性越顯著。 溫度越高，電子對(duì)因受熱運(yùn)動(dòng)的影響而遭到破壞，就失去了超導(dǎo)性。 1.4.4. 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因BCS Theory (1957)解釋了超導(dǎo)電性現(xiàn)象的本質(zhì)Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了1972年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)1.4.4. 產(chǎn)生超

6、導(dǎo)電性的原因1.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件溫度T臨界溫度Tc磁場強(qiáng)度HHc的磁場作用 于超導(dǎo)體時(shí)，磁力線將穿入超導(dǎo)體，超導(dǎo)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(shí),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(qiáng)度Hc。電流強(qiáng)度I單位時(shí)間通過某截面電荷的量；電流密度J單位面積上通過的電流強(qiáng)度；注意區(qū)分：1.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界參數(shù)之間的關(guān)系三個(gè)性能指標(biāo)，相互制約；一般來說，指標(biāo)越高越好。Jc1.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界溫度Tc超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度；即電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度。由于組織結(jié)構(gòu)不同，超導(dǎo)臨界溫度不是一個(gè)特定的數(shù)值，而是跨越一個(gè)溫

7、度區(qū)域；因此實(shí)際超導(dǎo)材料的臨界溫度用四個(gè)參數(shù)表征。1.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件實(shí)際超導(dǎo)材料的臨界溫度參數(shù)超導(dǎo)材料的臨界溫度起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)零電阻溫度Tc(R=0)轉(zhuǎn)變溫度寬度Tc中間臨界溫度Tc(mid)1.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界磁場強(qiáng)度Hc對(duì)于超導(dǎo)體，當(dāng)外加磁場足夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)破壞其超導(dǎo)性；破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小的磁場強(qiáng)度稱為 超導(dǎo)臨界磁場強(qiáng)度。1.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界磁場強(qiáng)度Hc臨界磁場強(qiáng)度為溫度的函數(shù)，表達(dá)式為：Hc0為絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場；THcHc0Tc01.4.5. 超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)臨界電流Jc破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小電流密度; J=I/A,單位

8、A/m2超導(dǎo)臨界電流與臨界溫度的關(guān)系：1.4.6. 第I類和第II類超導(dǎo)體第I類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場Hc； 當(dāng)HHc時(shí)，正常態(tài)。 常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬，如鋁、鋅、錫等; 熔點(diǎn)較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作“軟超導(dǎo)體”； 臨界電流密度和臨界磁場較低，沒有很好的實(shí)用價(jià)值。第II類超導(dǎo)體有兩個(gè)臨界磁場 當(dāng)HHc1時(shí)，零電阻且完全禁止磁場線進(jìn)入, 邁斯納態(tài)。 當(dāng) Hc1 HHc2時(shí)，正常態(tài)。 釩、鈮、鉭和大多數(shù)超導(dǎo)合金及超導(dǎo)化合物。第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更高的臨界參數(shù)。1.4.6. 第I類和第II類超導(dǎo)體1.4.7. 金屬超導(dǎo)材料的類型金屬元素超導(dǎo)體：合金超導(dǎo)體：金屬化合物超導(dǎo)體：除釩、鈮

9、、鉭大多數(shù)金屬元素都是第I類超導(dǎo)體；釩、鈮、鉭為第II類超導(dǎo)體。絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體；絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體；1.4.7. 金屬超導(dǎo)材料的類型金屬元素超導(dǎo)體 常壓下有28種超導(dǎo)金屬元素，超導(dǎo)臨界溫度Tc排行為： 鈮 9.24K； 锝 7.8K 鉛 7.197K 鑭 6.06K 釩 5.4K 鉭 4.47K 常壓下不表現(xiàn)超導(dǎo)性的金屬元素，高壓下可能呈現(xiàn)超導(dǎo)性。1.4.7. 金屬超導(dǎo)材料的類型合金超導(dǎo)體成本低、便于大量生產(chǎn) Ni-Ti合金 目前使用最廣泛的合金超導(dǎo)材料； 制造技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，成本低； 用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體的理想材料； Ni-Zr合金 最早使用的合金超導(dǎo)材料； 具有低磁

10、場，高電流的優(yōu)點(diǎn)； 高磁場下能夠承受很大的臨界電流； 制造成本較高，逐漸被NiTi合金取代。兩類常見的超導(dǎo)合金為：1.4.7. 金屬超導(dǎo)材料的類型金屬化合物超導(dǎo)體三個(gè)臨界參量(Tc, Hc, Jc) 均較高，是性能良好的 強(qiáng)磁場材料。具有代表性的為Nb3Sn超導(dǎo)化合物，是制造 8.015.0T超導(dǎo)磁體的主要材料。0 K: All motion ceases100oC = 373 K0oC = 273 K-135oC = 138 KCurrent High Temperature Superconductors77 KNitrogen liquifies4 KHelium liquifies1.

11、4.8. 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1.4.8. 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史1911年，Hg，Tc4.2K1911-20年代，24種純金屬，(Nb，Tc9.13K)1952, 硅化釩，Tc=17K1957年，BCS理論1960，第II類超導(dǎo)體鈮錫合金1973年，Nb3Ge，Tc23.2K1987年，Y-Ba-Cu-O，Tc90K，超過液氮溫度77K1993年，Hg-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高壓下164K)1.4.8. 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史超導(dǎo)材料的發(fā)展及其臨界溫度釔鋇銅氧化物（ YBa2Cu3O7-x ) 超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)材料的例子1987年朱經(jīng)武、吳茂昆、趙忠賢等發(fā)現(xiàn)，Tc90K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破

12、了液氦，解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題。 美國貝爾實(shí)驗(yàn)室采用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體，使臨界電流密度提高了100倍，達(dá)610 A/cm2，美國馬薩諸薩理工學(xué)院用在超導(dǎo)材料中摻入銀等加熱處理的方法，解決了材料的脆弱問題，使強(qiáng)度比超導(dǎo)陶瓷提高了10倍，適用于作輸電線.我國則早已制成零電阻為837 K的超導(dǎo)材料和零電阻為77 K的超導(dǎo)薄膜.高溫超導(dǎo)材料的例子1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用零電阻效應(yīng)完全抗磁性超導(dǎo)隧道效應(yīng)1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)電力傳輸(零電阻的應(yīng)用）超導(dǎo)輸電電纜： 將超導(dǎo)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(dǎo)狀態(tài)下運(yùn)行。超導(dǎo)電力傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)：超導(dǎo)輸電電纜比普通的

13、地下電纜容量大25倍,電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾。傳統(tǒng)輸電需要高壓，因而有升壓，降壓設(shè)備。用超導(dǎo)線就不需要升壓降壓設(shè)備。重量輕、體積小，輸 送大功率的超導(dǎo)傳輸線可鋪設(shè)在地下管道內(nèi)，從而省去了許多傳輸線的架設(shè)鐵塔。 從內(nèi)到外，依次為： 管狀支撐物（內(nèi)通液氮）； 超導(dǎo)導(dǎo)體層（為電纜載流導(dǎo)體）； 電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）； 超導(dǎo)屏蔽層（為超導(dǎo)帶材繞制）； 液氮回流層（與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成液氮回流循環(huán)）； 熱絕緣層（為真空隔熱套件）； 常規(guī)電纜屏蔽層和護(hù)層（與常規(guī)電力電纜類似） 。1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用2019年4月19日在昆明普吉變電站投入運(yùn)行，7月10日正式并網(wǎng)，是我國第

14、一組、世界上第三組并網(wǎng)試運(yùn)行的超導(dǎo)電纜。1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)發(fā)電機(jī)（強(qiáng)磁場的應(yīng)用）在超導(dǎo)體截面較小的線圈通以大電流，形成強(qiáng)磁場，這就是超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：磁場強(qiáng)度大：磁場強(qiáng)度達(dá)20萬高斯，常規(guī)磁體最高10萬高斯。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 流就可以一勞永逸。重量輕：5萬高斯的常規(guī)電磁體重達(dá)20噸，而用超導(dǎo)磁體重量 還不到1千克。1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能（零電阻效應(yīng)的應(yīng)用）用電需求在時(shí)間上是不平衡的，白天晚上不一樣。最佳的解決辦法就是有一種儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)手段。然而，電力的儲(chǔ)藏非常困難。充電：合上開關(guān)S1，打開S2

15、和S3時(shí)，超導(dǎo)線圈Ls充電；儲(chǔ)能：合上S2，打開S1，在電路2中就有一個(gè)持續(xù)電流；放電：合上S3，打開S2，儲(chǔ)存的電能就傳輸?shù)酵獠控?fù)載。1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)儲(chǔ)能基本原理示意圖RS1S2S3負(fù)載電源Ls超導(dǎo)溫度1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)磁懸浮列車是運(yùn)用超導(dǎo)體的完全抗磁性，使列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。 超導(dǎo)磁懸浮列車 兩種磁懸浮列車系統(tǒng)(a)常導(dǎo)磁吸型； (b)超導(dǎo)磁斥型 日本開發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV 于2019年12月在山梨縣的試驗(yàn)線上創(chuàng)造出每小時(shí)550公里的世界最高紀(jì)錄。 日本超導(dǎo)磁斥型，懸浮氣隙較大，一般為100mm上海常導(dǎo)磁吸型，懸浮氣隙較小，一

16、般為10mm上海磁懸浮列車時(shí)速430公里,從浦東龍陽路站到浦東國際機(jī)場，三十多公里只需6分鐘。 1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)100200M，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，使受控核聚變能源成為入類取之不盡的新能源。 受控?zé)岷司圩內(nèi)嗽焯栁覈兄频摹巴锌R克”裝置（等離子體溫度高達(dá)5000萬度），能夠提供清潔無限的能源。1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID)作為靈敏度極高的磁傳感器,超導(dǎo)量子干涉儀(即SQUID)在生物磁測量,大地測量,無損探傷等方面獲得了廣泛的應(yīng)用. 5.8.6 冷子管和超導(dǎo)計(jì)算機(jī)冷子管是一種電流開關(guān)。當(dāng)控制線圈沒有電流，門線超導(dǎo)；當(dāng)控制線圈通過一定電流時(shí)，它的磁場使門線從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài)。門線的臨界磁場較低，臨界磁場較高的控制線（Nb），操作溫度稍低于門線臨界溫度，遠(yuǎn)低于控制線臨界溫度。冷子管與超導(dǎo)計(jì)算機(jī)1.4.9. 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 在1935年，產(chǎn)生了第一個(gè)這種類型的開關(guān)元件。 1956年巴克把這種裝置命名為“冷子管”，并指出它可以用來開發(fā)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)。 當(dāng)時(shí)繞線冷子管的開關(guān)速度在10-5秒左右，功耗也較大，但與晶體管的第二代計(jì)算機(jī)相比