超導(dǎo)體的應(yīng)用課件

1、第六屆全國高中生高溫超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意 競賽高溫超導(dǎo)相關(guān)知識(初級版) 歡迎各位來自全國最優(yōu)秀的高中(職)生參與第六屆全國高中生超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽，初級版高溫超導(dǎo)相關(guān)知識教材提供參與競賽的各位同學(xué)高溫超導(dǎo)相關(guān)的資料和知識，分成(1)原理、意義與觀念釐清篇;(2)應(yīng)用篇;(3)超導(dǎo)塊材篇和(4)實(shí)驗(yàn)安全篇(5)歷史篇等五大主題，詳加研讀與吸收後，相信能夠提昇各位對高溫超導(dǎo)的認(rèn)知與興趣!主旨:指導(dǎo)單位：國科會/教育部主辦單位：吳茂昆院士 中央研究院 物理所 陳引幹教授 國立成功大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)系 謝孟達(dá)教授 國立成功大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)系 黃俊夫博士 國立科學(xué)工藝博物館 蕭述三教授 國立中央大學(xué) 機(jī)械工程

2、學(xué)系 于富雲(yún)教授 國立成功大學(xué) 教育研究所 游麗卿教授 國立臺南大學(xué) 教育學(xué)系 朱耀明教授 國立高雄師範(fàn)大學(xué) 工業(yè)科技教育學(xué)所 陳斐卿教授 國立中央大學(xué) 學(xué)習(xí)與教學(xué)研究所 參閱網(wǎng)站:www.HiTcW導(dǎo)讀流程:何謂高溫超導(dǎo)體?超導(dǎo)歷史簡介高溫超導(dǎo)體2個特殊性質(zhì)與3個限制因素零場冷磁浮(影片觀賞)(1)零電阻(2)反磁效應(yīng)超導(dǎo)三大限制因素 “斜線”皆可請超連結(jié)進(jìn)入每個主題! 場冷磁浮(影片觀賞)第一類超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)安全超導(dǎo)塊材超導(dǎo)應(yīng)用第二類超導(dǎo)原理、意義與觀念釐清篇(神奇的超導(dǎo)磁浮現(xiàn)象)超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇篇返回導(dǎo)讀頁面磁浮?高溫超導(dǎo)?磁懸浮?神奇的超導(dǎo)磁浮現(xiàn)象?磁浮磁

3、懸浮 輔助教學(xué)影片利用零場冷過程完成磁浮(2)利用場冷過程完成磁浮 輔助教學(xué)影片零場冷 場冷超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(1/10)( 吳茂昆博士常戲稱為 姜太公現(xiàn)象 )返回導(dǎo)讀頁面利用“零場冷過程”使磁鐵磁浮圖文說明將磁鐵靠近超導(dǎo)體時，會感受到反磁作用力且磁束無法穿過超導(dǎo)體迫使磁鐵靠近超導(dǎo)體使磁束貫穿超導(dǎo)體手放開後，最後磁浮情況通常會傾斜磁鐵NS超導(dǎo)體NS超導(dǎo)體磁鐵NNSS超導(dǎo)體磁鐵NNSS磁鐵磁力線超導(dǎo)體先利用液態(tài)氮將超導(dǎo)體冷卻至超導(dǎo)臨界溫度以下液態(tài)氮(綠色部份超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(2/10)返回導(dǎo)讀頁面回上頁 利用“場冷過程”使磁鐵

4、磁浮圖文說明液態(tài)氮(綠色部份)冷卻超導(dǎo)體抽開墊片磁浮體相當(dāng)穩(wěn)定不傾斜給超導(dǎo)體一固定間距的磁場利用液態(tài)氮冷卻超導(dǎo)體磁鐵磁力線超導(dǎo)體磁鐵超導(dǎo)體磁鐵墊片超導(dǎo)體磁鐵超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(3/10)返回導(dǎo)讀頁面回上頁超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(4/10)場冷比零場冷對超導(dǎo)體鎖磁效果好除了冷卻的過程的差異之外，零場冷和場冷所引發(fā)的效果也不一樣。場冷狀態(tài)下冷卻的超導(dǎo)體，磁力線分佈於超導(dǎo)體內(nèi)的對稱性與均勻性比較好；因而，它的磁鎖定效果、磁浮和懸浮穩(wěn)定性都比較好。由於在冷卻前，已有外加的磁場介入，磁力線在超導(dǎo)現(xiàn)象未產(chǎn)生時，就已經(jīng)穿透到超導(dǎo)體內(nèi)了；即使在降

5、到臨界溫度以下，產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象時，穿透的磁力線會被均勻的釘扎在超導(dǎo)體內(nèi)的一些特殊的微結(jié)構(gòu)中，此時鎖磁效果較佳。 零場冷的鎖磁效果較差，因?yàn)樵诶鋮s前沒有外加的磁場介入，高溫超導(dǎo)體內(nèi)沒有釘扎的磁力線。在超導(dǎo)態(tài)時，把磁場強(qiáng)加壓迫進(jìn)去，因?yàn)槌瑢?dǎo)體有反磁力，磁場難以進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)，只有少數(shù)磁束會被超導(dǎo)體內(nèi)特殊的微結(jié)構(gòu)釘扎住，所以在磁場進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的過程中，必定不會像場冷過程般的穩(wěn)定、均勻，磁束能否順利的被釘扎住，與兩個因素有關(guān)，包括超導(dǎo)體與磁鐵距離的大小，還有超導(dǎo)體內(nèi)特殊的微結(jié)構(gòu)分佈。因此，一般而言，場冷過程的磁浮狀況都會比零場冷過程來的效果較佳。返回導(dǎo)讀頁面 兩個重要超導(dǎo)特殊性質(zhì) 當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界溫度時,超導(dǎo)的

6、特質(zhì)之一是零電阻。一般的導(dǎo)體，電阻是因原子熱振動或晶格缺陷等,阻礙電流流動所造成；但在超導(dǎo)狀態(tài)下，自旋相反的成對電子所組成的古柏偶對（Cooper pair），在傳導(dǎo)時不受晶格中離子的妨礙，因此形成零電阻現(xiàn)象，電流不會有所損耗,而成為永久電流.(1) 零電阻超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(5/10)返回導(dǎo)讀頁面當(dāng)絕對溫度掉到4.2K時，汞的電阻值幾乎為零(2)完全反磁效應(yīng)超導(dǎo)體的內(nèi)部磁通量為零，磁力線無法進(jìn)入超導(dǎo)體，這個性質(zhì)又稱為麥?zhǔn)磕切?yīng)（Meissner effect）。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的過程是： 當(dāng)超導(dǎo)體放入磁場中時，超導(dǎo)體和一般導(dǎo)體一樣會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而超導(dǎo)體的電阻為

7、零，因此只要磁場存在，電流就能一直流動，此電流即為屏蔽電流。屏蔽電流在超導(dǎo)體周圍產(chǎn)生與外部磁場方向相反的磁場，因而阻擋外部磁場進(jìn)入(如右圖所示)。 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(6/10)牛頓雜誌 56期 1988年 1月號超導(dǎo)體一般導(dǎo)體返回導(dǎo)讀頁面 第一類超導(dǎo)體(TypeI)Ref: 國立成功大學(xué)材料工程學(xué)系 陳引幹教授 高溫超導(dǎo)材料與其磁浮上之應(yīng)用 .tw/bimonth/v27/609.doc 磁場不斷施加直到超過臨界磁場則磁力線穿過超導(dǎo)體超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(7/10) TypeI 超導(dǎo)體: 外加磁場一旦超過超導(dǎo)臨界磁場值，超導(dǎo)狀

8、態(tài)便消失，讓所有外加磁場穿過。返回導(dǎo)讀頁面回上頁第二類超導(dǎo)體(TypeII)Ref: 國立成功大學(xué)材料工程學(xué)系 陳引幹教授 高溫超導(dǎo)材料與其磁浮上之應(yīng)用 .tw/bimonth/v27/609.doc 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(8/10)TypeII 超導(dǎo)體: 有兩個臨界磁場值(Bc1, Bc2)，當(dāng)外加磁場超過較低的一個(Bc1)，內(nèi)部 則有少數(shù)的地方不具超導(dǎo)特質(zhì)，使磁力線可以穿過。一直到外加磁場超過另一上限值(Bc2)，超導(dǎo)態(tài)才消失，讓所有外加磁場穿過。返回導(dǎo)讀頁面回上頁超導(dǎo)態(tài)乃未超過臨界磁場(Hc)、臨界電流密度(Jc)、(臨界溫度Tc)之內(nèi)部範(fàn)圍:超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)

9、磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(9/10)釔鋇銅氧(Y-Ba-Cu-O)超導(dǎo)體產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)的條件返回導(dǎo)讀頁面(X,Y,Z軸與紅色曲線包圍住 之範(fàn)圍區(qū)域?yàn)槌瑢?dǎo)態(tài))不同種類超導(dǎo)體之三個限制因素範(fàn)圍示意圖90 K100 T105(A / cm2)10610710340 K18 K24 T40T9 K14TLaBaCuO鑭鋇銅氧陶瓷Nb3Sn錫化三鈮金屬化合物YBaCuO釔鋇銅氧陶瓷NbTi鈮鈦合金Y-Ba-Cu-O 三個限制因素所圍的範(fàn)圍最大,即超導(dǎo)性質(zhì)的應(yīng)用可較廣超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(10/10)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇返回導(dǎo)

10、讀頁面超導(dǎo)線材之應(yīng)用製成超導(dǎo)線或帶,繞成線圈,導(dǎo)入電流,產(chǎn)生磁場用途: Power transmission 電力傳輸NbTi 低溫超導(dǎo)線材Bi系 高溫超導(dǎo)線材 超導(dǎo)線材相較於一般線材的不同在於沒有能量的消耗，因?yàn)槌瑢?dǎo)的零電阻特性，電子在晶格中運(yùn)動並不會與晶格碰撞產(chǎn)生熱能，也就不會有能量損耗的問題出現(xiàn)！超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(1/15)返回導(dǎo)讀頁面3 phases HTS transmission cable design高溫超導(dǎo)傳輸電纜的設(shè)計(jì) 由於低溫的需求，超導(dǎo)線材必須有平行的液氮管道保持冷卻，液氮在定點(diǎn)的區(qū)間內(nèi)循環(huán)，難免的，氣化的部分需要再進(jìn)行液化，這些困難都可以解決，但經(jīng)

11、濟(jì)效應(yīng)大為減低！超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(2/15)美國Underground System, Inc.返回導(dǎo)讀頁面 SC transmission Cable Exp超導(dǎo)電纜的測試 十萬voltage的高壓電必須高架或是身埋地底，並以介電材料覆蓋，減少對環(huán)境安全的負(fù)面效應(yīng)。超導(dǎo)輸電線可用大電流、低電壓，沒有這方面的顧慮而且節(jié)省能源，有利於環(huán)保參考: 何建民 低溫、超導(dǎo)、磁浮，臺灣書店印行 p.70 1996 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(3/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁浮列車Maglev核磁共振影像NMR/MRI超導(dǎo)馬達(dá)與發(fā)電機(jī)Motor/Generator超導(dǎo)磁鐵應(yīng)用超導(dǎo)磁

12、性儲能SMES高能物理實(shí)驗(yàn)High Energy Physics 磁流體動力MHD超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(4/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用- (1)超導(dǎo)磁浮列車磁浮列車的優(yōu)點(diǎn)：(1)省能源(2)低噪音(3)高速: (550 km/hr) 真空中(1600 km/hr)日本Yamanachi (山梨線) 磁浮列車超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(5/15)返回導(dǎo)讀頁面日本Yamanachi (山梨線) 超導(dǎo)磁浮列車-推進(jìn)原理: 被安裝在軌道兩旁牆上的推進(jìn)線圈是由變電所所提供之3相交變電流，產(chǎn)生變換的磁場，使得軌道兩旁之推進(jìn)線圈的電流一正一反不斷地流動，車上裝設(shè)

13、之超導(dǎo)磁鐵(低溫超導(dǎo)線圈)便會受到推進(jìn)線圈產(chǎn)生的變換磁場有著連續(xù)的吸引力與推進(jìn)力，速度的調(diào)整，則由可將電流做正反轉(zhuǎn)的周波數(shù)來決定，周波數(shù)的轉(zhuǎn)換，又由地上發(fā)電廠的周波數(shù)裝置來操作。軌道兩旁牆上的推進(jìn)線圈超導(dǎo)磁鐵超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(6/15)返回導(dǎo)讀頁面安裝在軌道旁之8字形線圈,當(dāng)裝有超導(dǎo)磁鐵的車身以低於8字形線圈軸心位置快速通過時， 8字形線圈會因感應(yīng)出電流而成為一電磁鐵，此結(jié)果使得超導(dǎo)磁鐵會有一推力及拉力使之向上,所以車身便可磁浮起。車體懸浮原理:軌道之側(cè)向力:軌道上的磁浮線圈面對面的連結(jié)而形成迴路，當(dāng)正在跑的磁浮車(也就是超導(dǎo)磁鐵)產(chǎn)生側(cè)向移動時，迴路會感應(yīng)出電流，使得對於

14、較靠近軌道的超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生推力，反之較遠(yuǎn)離軌道的超導(dǎo)磁鐵則產(chǎn)生吸引力，如此便能使磁浮車車身安全的位在軌道中心的位置。http:/www.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(7/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用-(2)超導(dǎo)磁鐵在高能物理的應(yīng)用http:/超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(8/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用-(2)超導(dǎo)磁鐵在高能物理的應(yīng)用國家同步輻射研究中心http:/.tw帶 電 粒 子 的 運(yùn) 動 速 度 或 方 向 改 變 時 會 放 射 出 電 磁 波 。 當(dāng) 電

15、 子 以 接 近 光 速 飛 行 ， 受 到 磁 場 的 作 用 而 發(fā) 生 偏 轉(zhuǎn) 時 ， 便 會 因 相 對 論 效 應(yīng) 沿 著 偏 轉(zhuǎn) 的 切 線 方 向 ， 放 射 出 薄 片 狀 的 電 磁 波 ， 這 就 是 同 步 輻 射光 。 由 注 射 器 產(chǎn) 生 之 電 子 經(jīng) 由 傳 輸 線 進(jìn) 入 儲 存 環(huán) ， 電 子 在 環(huán) 中 經(jīng) 過 偏 轉(zhuǎn) 磁 鐵 或 插 件 磁 鐵 會 放 射 出 同 步 輻 射 光 ， 同 步 輻 射 再 經(jīng) 過 光 束 線 到 達(dá) 實(shí) 驗(yàn) 站 ， 研 究 人 員 便 可 使 用 同 步 輻 射 光 進(jìn) 行 實(shí) 驗(yàn) 。超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(

16、9/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用 - (3)超導(dǎo)馬達(dá)超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 超導(dǎo)體的研究開發(fā)打開了零電阻的大門，也同時使解決了電磁鐵在這方面的限制，人們利用超導(dǎo)體製造新式的電磁鐵-超導(dǎo)磁鐵，只須幾百瓦的功率就可以製造出數(shù)萬高斯的電磁鐵，所以十幾萬高斯的電磁鐵，都已經(jīng)成為事實(shí)。 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(10/15)Ref: J. Sakuraba, Sumitomo Heavy Industry, STEC J. Vol.7, No.2, 1994, P.3返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用 - (4) 超導(dǎo)磁鐵在醫(yī)療上的應(yīng)用-NMR-CT 所謂核磁共振，是具有核磁矩的物質(zhì)在一定的恆定磁場和交變磁

17、場同時作用下，會對變化的電磁場產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振吸收現(xiàn)象。利用高溫超導(dǎo)體製程的線圈可以通過極大的電流而產(chǎn)生極強(qiáng)的磁場，可以比一般磁鐵高兩個數(shù)量級，檢測的靈敏度取決於所加磁場的大小，磁場越大，氫的共振訊號越強(qiáng)得到的圖越清晰，從而提高早期診斷可能性。超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(11/15)美國General Electric Medical System提供返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁鐵之應(yīng)用 - (5) Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)超導(dǎo)磁性儲能1. 可長期無損耗地儲存能量，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95%。2. 可通過採用電力電子器件的變流器實(shí)現(xiàn)與

18、電網(wǎng)的連接，回應(yīng)速度快（毫秒級）。3. 由於其儲能量與功率調(diào)製系統(tǒng)的容量可獨(dú)立地在大範(fàn)圍內(nèi)選取，可建成所需的大功率和大能量系統(tǒng)。4. 除了真空和製冷系統(tǒng)外沒有轉(zhuǎn)動部分，使用壽命長。5. 在建造時不受地點(diǎn)限制，維護(hù)簡單、污染小目前美國、日本、德國等一些發(fā)達(dá)國家在超導(dǎo)儲能裝置方面的研究上投入了大量的人力和物力，並且有許多在建的超導(dǎo)儲能裝置。TcSUH Flywheel (朱唯幹教授) 德州超導(dǎo)中心製作的飛輪儲能超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(12/15)返回導(dǎo)讀頁面磁浮軸承與飛輪儲能 (Magnetic Levitation Bearing and Flywheel Energy Stora

19、ge)-磁浮地球儀鎖磁力 ，非接觸 將超導(dǎo)體置入架上之容器中並倒入液態(tài)氮使之產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)，強(qiáng)磁鐵和單晶粒YBaCuO超導(dǎo)塊材之間利用場冷過程可使磁鐵磁旋浮起並保持固定的距離，以及無接觸、無磨擦的磁懸浮特性。因此地球儀可以完全無接觸地懸掛在空氣中，並可以接近無摩擦、無接觸在空中旋轉(zhuǎn)(僅有與空氣之摩擦力)。 說明:超導(dǎo)體放入此容器中超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(13/15)返回導(dǎo)讀頁面增加基地臺的覆蓋範(fàn) (Cellular phone base stations coverage)減少基地臺數(shù)量 (more channels) 增進(jìn)通話品質(zhì)增長手機(jī)使用時間減少不必要的電磁輻射Advantag

20、es of HTS-filter (高溫超導(dǎo)濾波器優(yōu)點(diǎn))HTS RF filter with Cryostat超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下電阻為零，意味著超導(dǎo)體的熱噪音十分小，利用超導(dǎo)體做成的的濾波器，自然可以將前級放大器中的熱噪音消除，又不引入新的熱噪音，提高了訊噪比優(yōu)點(diǎn):說明:超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(14/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)故障限流器(superconductor Fault Current Limiter) 超導(dǎo)故障限流器（SFCL）是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性，快速而有效地限制電力系統(tǒng)故障短路電流的一種電力設(shè)備。SFCL的工作原理是短路電流超過超導(dǎo)體的臨界電流，引起超導(dǎo)體失

21、超，超導(dǎo)體從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，限流器呈現(xiàn)很大阻抗，短路電流得以限制。SFCL具有如下的優(yōu)點(diǎn)： 1. 增大電力系統(tǒng)的安全性和可靠性； 2. 提高電力質(zhì)量；3. 與現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)施相容；4. 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)備的更新以降低成本；5. 提高系統(tǒng)的運(yùn)行容量。專家們預(yù)言，就超導(dǎo)技術(shù)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。 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之應(yīng)用篇(15/15)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇返回導(dǎo)讀頁面塊材晶種頂端接種熔融成長法(TSMG)-TypeII 高溫超導(dǎo)塊材競賽使用之YBCO單晶塊材超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競

22、賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(1/7)返回導(dǎo)讀頁面1.高溫超導(dǎo)塊材製程 長晶熱處理過程原料壓成生胚超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(2/7)非超導(dǎo)相液相返回導(dǎo)讀頁面高溫超導(dǎo)體結(jié)構(gòu):充氧前 Y1Ba2Cu3O6 立方晶結(jié)構(gòu)(非具超導(dǎo)相)充氧後 Y1Ba2Cu3O7 斜方晶結(jié)構(gòu) (具超導(dǎo)相)具斜方晶結(jié)構(gòu)之高溫超導(dǎo)體方可使用!超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(3/7)返回導(dǎo)讀頁面Y-Ba-Cu-O高溫超導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖: 釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7)其晶格結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(Perovskite)(左圖)。http:/.tw/htc.html超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(4/7

23、)返回導(dǎo)讀頁面 超導(dǎo)體的材料- (超導(dǎo)體為金屬? 合金? 高分子? 陶瓷?) (1) 傳統(tǒng)超導(dǎo)體(即低溫超導(dǎo)體): 多以合金為主，Tc較低。較常見的有Hg、Nb3Sn、Nb-Al-Ge 及其中Tc最高的Nb3Ge等(2)高溫超導(dǎo)體: 1986年發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體，不同於以往的金屬或合金， 它實(shí)際上是一種陶瓷。為氧化物，且多為含銅之氧化 物，Tc較高。例: Nb3Ge: Nb: Ge超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(5/7)返回導(dǎo)讀頁面高溫超導(dǎo)氧化物的不同形態(tài)性質(zhì)的差異：臨界磁場大臨界電流密度小大好最好最差超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(6/7)說明:不同形態(tài)性質(zhì)的高溫超導(dǎo)氧化物

24、其內(nèi)部臨界電流以(1)超導(dǎo)薄膜 (HTS Thin Film)最佳, (2)超導(dǎo)單晶粒塊材(HTS Single Crystal Bulk次之,(3)超導(dǎo)多晶粒塊材(HTS Poly crystal Bulk )則為最差返回導(dǎo)讀頁面Magnetic Levitation(g)Diameter(cm)超導(dǎo)單晶粒塊材(A)超導(dǎo)多晶粒塊材(c)超導(dǎo)多晶燒結(jié)塊材(D)不同磁浮力大小與不同超導(dǎo)塊材性質(zhì)有關(guān)!超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之超導(dǎo)塊材篇(7/7)磁磁能力的表現(xiàn)上:(A)超導(dǎo)單晶粒塊材 直徑2.5 cm x 厚度0.5 cm (B)超導(dǎo)單晶粒塊材 直徑1.9 cm x 厚度0.1 cm(c)超導(dǎo)

25、多晶粒塊材 晶粒方向不一,平均晶粒0.5 cm(D)超導(dǎo)多晶燒結(jié)塊材晶粒方向不一,平均晶粒0.05 cm超導(dǎo)單晶粒塊材(B)(A)(B)(c)(D)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇返回導(dǎo)讀頁面磁鐵使用(1)(a)鈮鐵硼磁鐵有高磁場(為鈮鐵硼稀土材料、較一般鐵、鈷、鎳材料組成的磁鐵磁力來得強(qiáng))，具磁性之物體或易 被消磁之卡片勿靠近，如信用卡、提款卡、手錶、手機(jī)、硬碟。 (b)磁鐵強(qiáng)度在表面處約為20002500(gauss) ，鐵磁物品需遠(yuǎn)離強(qiáng)力磁鐵，避免周遭物品以相當(dāng)?shù)乃俣缺晃?，人員如在附近可能有危險(xiǎn)。(c)強(qiáng)力磁鐵應(yīng)遠(yuǎn)離鐵磁性尖銳物，如鐵釘。超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材

26、之實(shí)驗(yàn)安全篇(1/4)返回導(dǎo)讀頁面(d)應(yīng)置放強(qiáng)力磁鐵於收納盒內(nèi)，可包裹厚絕緣層（報(bào)紙、保麗龍或珍珠板），以避免周遭磁性物體的吸附。(e)使用磁鐵時，應(yīng)戴著手套，以防止夾傷。磁鐵置放區(qū)要標(biāo)示清楚(將數(shù)片磁鐵推疊在一起、磁鐵強(qiáng)度會增加，但並非是累加的效果 )。(f)使用磁鐵時，應(yīng)於周圍設(shè)立警戒區(qū)，告知強(qiáng)力磁鐵之危險(xiǎn)性。(g)高磁場會引起心律調(diào)整器或是醫(yī)學(xué)植入裝置故障，需標(biāo)明邊緣磁場範(fàn)圍，限定特定的人進(jìn)入範(fàn)圍。磁鐵使用(2)超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇(2/4)返回導(dǎo)讀頁面液態(tài)氮使用(a)液態(tài)氮汽化是正?，F(xiàn)象，所以將之舀至保溫杯後，切勿旋緊保溫杯蓋，以免氣體壓力過大，引起氣爆，發(fā)生危險(xiǎn)

27、。(b)液態(tài)氮為低溫液體，溫度為 196 C（77K)，為避免低溫涷傷，請小心使用，不能直接觸摸，建議老師從旁指導(dǎo)。(c)不要拿金屬等導(dǎo)熱良好的物體，直接浸入液態(tài)氮，皮膚可能會因”黏住”而凍傷。(d)請不要在密敝的空間下，長時間使用液態(tài)氮,以防止過多揮發(fā)的氮?dú)庠斐芍舷⒌奈ｋU(xiǎn)。超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇(3/4)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)塊材使用高溫超導(dǎo)塊材為本實(shí)驗(yàn)室費(fèi)時耗力生產(chǎn)，其得之不易，請同學(xué)們要注意以下事項(xiàng)：(1)YBCO超導(dǎo)塊材為一陶瓷材料，此材料易脆，使用時請小心，勿掉落造成塊材的損壞、破裂。(2)YBCO超導(dǎo)塊材易受水氣侵蝕而裂化，故在使用完時請盡速利用純度高的酒精浸泡後,再用

28、吹風(fēng)機(jī)吹乾，以增加超導(dǎo)塊材的使用壽命。超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之實(shí)驗(yàn)安全篇(4/4)返回導(dǎo)讀頁面超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之歷史篇返回導(dǎo)讀頁面1911年H. Kamerlingh Onnes發(fā)現(xiàn)汞(Hg)在絕對溫度4.2度附近呈現(xiàn)超導(dǎo)性(獲1913年諾貝爾物理獎) 1913年發(fā)現(xiàn)Pb於溫度7.2K時具超導(dǎo)性。1914年Onnes以鉛(Pb)超導(dǎo)體製作線圈證明永久電流之存在1930年發(fā)現(xiàn)Nb，Tc=9.2K為所有純金屬最高者1932年W. Meissner及R. Oschenfeld發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全抗磁性，證明超導(dǎo)性之相轉(zhuǎn)變是熱力學(xué)相變1933年Meissner & Ochsenfeld

29、提出超導(dǎo)狀態(tài)下之完全反磁性(Perfect Diamagnetic)，又稱梅氏效應(yīng)1934年C.J. Gorter及H. B. Casimir提出二流體模型解釋超導(dǎo)現(xiàn)象，說明超導(dǎo)體內(nèi)的電子分超導(dǎo)電子和常超導(dǎo)電子兩種。1934年 F. London及H. London由二流體模式提出所謂London model，解釋梅氏效應(yīng)，定義穿透深度 (penetration depth)為超導(dǎo)體的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導(dǎo)體表面深度，在此深度範(fàn)圍內(nèi)，磁力線密度呈現(xiàn)指數(shù)衰減。超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之歷史篇(1/13)返回導(dǎo)讀頁面1937年L.D. Landau提出外磁場下的超導(dǎo)中間態(tài)的結(jié)構(gòu)模型

30、1950年E.Maxwell和C.A.Reynolds發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)Tc M- 1950年Vitaly Ginzburg & Lev Landau首先提出超導(dǎo)體內(nèi)的超導(dǎo)電子並非局部化觀念，即超導(dǎo)電子並非完全單獨(dú)的存在，彼此間可能些關(guān)聯(lián)。電子間可能有關(guān)聯(lián)的最長距離稱為相干長度(Coherent Length)。 (Landau1962年與Ginzburg2003年獲諾貝爾物理獎) 1956年L. N. Cooper提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態(tài)的概念(s-wave電子對)1957年Alexei Abrkosov研究超導(dǎo)體在外加磁場下的行為發(fā)現(xiàn)兩種不同性質(zhì)，將其分類為第一類和

31、第二類超導(dǎo)體(Type-I and Type II Superconductor)。預(yù)測第二類超導(dǎo)體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點(diǎn)陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理獎) 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之歷史篇(2/13)返回導(dǎo)讀頁面1957年J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論：BCS理論，當(dāng)超導(dǎo)體變成超導(dǎo)狀態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)的的超導(dǎo)電子是以成對存在的，稱古柏對(Cooper Pair)。超導(dǎo)電子在晶格間運(yùn)動時沒有能量損失因?yàn)槌蓪Φ某瑢?dǎo)電子之一在運(yùn)動時和晶格互撞把能量傳給晶格，隨後晶格又將能量交給第二個電子，因

32、此沒有能量損失。(三人獲1972年諾貝爾物理獎)1958年 J. Hulm及B. T. Matthias發(fā)現(xiàn)A15結(jié)構(gòu)超導(dǎo)體，得到Tc20K之超導(dǎo)材料。1959年 J. G. Giaever發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)1962年B. D. Josephson提出超導(dǎo)電子對的穿隧效應(yīng)(獲1973年諾貝爾物理獎) 1975年首先發(fā)現(xiàn)金屬氧化物BaPb1-xBixO具超導(dǎo)性，Tc=13K。1979年F. Steglich發(fā)現(xiàn)重費(fèi)米子超導(dǎo)體超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之歷史篇(3/13)返回導(dǎo)讀頁面1980年 D. Jerome發(fā)現(xiàn)第一個有機(jī)超導(dǎo)體1986年K. A. Mller及 G. Bednorz發(fā)

33、現(xiàn)第一個高溫超導(dǎo)體 LaBaCuOTc 30K (兩人獲1987年諾貝爾物理獎) 1987年朱經(jīng)武和吳茂昆發(fā)現(xiàn)第一個高於液態(tài)氮的超導(dǎo)體YBa2Cu3O7- Tc92K 1988年 H. Maeda，發(fā)現(xiàn)Bi系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)銅氧化物 Tc110K 1988年Sheng & Herman ，發(fā)現(xiàn)Tl系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)銅氧化合物 Tc125K 1993年A.Schilling et. al. ，發(fā)現(xiàn)Hg系(HgBa2Ca2Cu3O8)銅氧化合物 Tc134K (Hg系銅氧化合物為目前常壓下Tc最高之化合物) ，在高壓下為164K2001年J.Nagamatsu

34、et. al. ，發(fā)現(xiàn)MgB2介金屬化合物Tc 40K (為目前Tc最高之介金屬化合物) 超導(dǎo)磁浮創(chuàng)意競賽-初級版教材之歷史篇(4/13)返回導(dǎo)讀頁面BCS理論: 美國巴丁(John Bardeen) 柯伯(Leon N. Cooper) 施里弗(John R. Schrieffer) 三人為了解超導(dǎo)材料的性狀而創(chuàng)立的的一種綜合性理論,(BCS即為三人姓氏字母構(gòu)成) 。 當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到低於臨界零度時,其電阻會消失,柯伯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體中電子都集結(jié)成對,也因此命名為柯伯對超導(dǎo)體中全部的柯伯對運(yùn)動都是相關(guān)的,1957年,J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論：BCS理論資料整理自大英百科全書重要?dú)v史紀(jì)事(1):超導(dǎo)磁