超導(dǎo)材料解析課件

1、12.3.4 超導(dǎo)材料22 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是一種沒有電阻的材料，既能節(jié)約能量，還能把電流儲存起來。 3 2.1 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷程1911年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻和它的溫度條件有很大關(guān)系：溫度高時，它的電阻就增加，溫度低時電阻減少。4 1.超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1911年，昂內(nèi)斯選擇了水銀作為實驗材料，在液氦的溫度下進行研究。發(fā)現(xiàn)溫度降到 4.2 K 左右時，水銀的電阻竟然消失了！ 5低溫超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度最高為 30 K，因此，它必須在液氦 (零下269C) 溫度下工作。 液氮 (零下196C) 無論在價格、來源和制備都比液氦具有大得多的優(yōu)勢。低溫超導(dǎo)體應(yīng)用的局限性626 種超導(dǎo)金屬元素7研

2、究發(fā)現(xiàn)：金屬合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比單質(zhì)金屬稍微高一些鍺三鈮 (Nb3Ge) 的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為 23.2 K, 在 20 世紀(jì) 80 年代以前是最高記錄。81986年，貝特諾茨和繆勒從別人多次失敗中總結(jié)教訓(xùn)，放棄了在金屬和合金中尋找超導(dǎo)材料的老觀念，終于發(fā)現(xiàn)一種Ba-La-Cu-O 系氧化物材料 (BLCO) 材料在43K這一較高溫度下出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。9而后朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系合金的超導(dǎo)溫度更接近室溫，達120K。使超導(dǎo)溫度從極為寒冷的液氦區(qū)進入到比較溫暖的液氮區(qū)。10二流體模型 BCS理論二 超導(dǎo)基本原理11二流體模型 金屬晶體的基本組成單位是原子，而原子又是由原子核和核外電子組成，電子在金屬

3、內(nèi)共有化，所以金屬實際上是由帶正電的離子組成的晶格點陣（C1)和電子氣（Ce)組成。不難想象，金屬比熱包含晶格比熱和電子比熱。前者和T3成正比，后者滿足 Ce =T，是電子比熱系數(shù)。比熱：12實驗表明，當(dāng)達到臨界溫度時，晶格結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，但金屬比熱卻發(fā)生了跳躍式轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變是由于電子發(fā)生了某種轉(zhuǎn)變，可能金屬內(nèi)的電子變成了“超流電子”。基于這種聯(lián)想高特-卡西米提出了二流體模型13 二流體模型認(rèn)為金屬超導(dǎo)轉(zhuǎn)變后，金屬中一部分正常電子凝聚成超流狀態(tài)，其行動完全自由，暢通無阻，這是一種有序狀態(tài)，是由于動量凝聚造成的。14 另一個實驗是倫敦的模型，超導(dǎo)電流只分布在超導(dǎo)線表面附近的薄層內(nèi)，超導(dǎo)體內(nèi)沒

4、有電流也沒有磁場，因此體現(xiàn)抗磁性。15二流體模型的成功之處：二流體模型的局限性：1.把超導(dǎo)體中的電子分為兩類：常態(tài)電子和超導(dǎo)電子。2.認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)與電子的狀態(tài)有關(guān)。1.電子是如何從常態(tài)變成超導(dǎo)態(tài)？2.為何超導(dǎo)電流只分布在超導(dǎo)線表面附近的薄層內(nèi)？16 同位素效應(yīng) 超導(dǎo)能隙 機理解釋 BCS理論17 同位素效應(yīng) 超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變Tc與原子質(zhì)量的平方根成反比 18由于晶格振動的頻率也與原子量的平方根成反比，所以同位素效應(yīng)也暗示了超導(dǎo)體中電子行為和晶格之間的密切聯(lián)系。超導(dǎo)能隙由超導(dǎo)態(tài)的比熱容可知，超導(dǎo)態(tài)的電子能譜中存在一個半寬度為的能量間隔，在這個能量間隔內(nèi)禁止電子占據(jù)，人們把2或稱為超導(dǎo)態(tài)的能隙。 20

5、L. N. Cooper認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)是由正則動量(機械動量與場動量之和)為零的超導(dǎo)電子組成的，它是動量空間的凝聚現(xiàn)象。要發(fā)生凝聚現(xiàn)象，必須有吸引力的作用存在。機理解釋21電子在晶格點陣中運動，它對周圍的正離子有吸引作用，從而造成局部正離子的相對集中，導(dǎo)致對另外電子的吸引作用。這樣兩個電子通過晶格點陣發(fā)生間接的吸引作用。 庫柏電子對庫柏(Cooper)證明：當(dāng)2個電子間存在凈的吸引作用時，在費米面附近就存在一個動量大小相等、方向相反且自旋相反的束縛態(tài)；它的能量比2個獨立的電子總能量低，這種2個電子對的束縛態(tài)稱為庫柏對。 BCS超導(dǎo)微觀理論超導(dǎo)電性來源于電子間通過晶格作媒介所產(chǎn)生的相互吸引作用， 當(dāng)

6、這種作用超過電子間的庫侖排斥作用時，電子會形成束縛對，也就是庫柏電子對，從而導(dǎo)致超導(dǎo)電性的出現(xiàn)。 庫柏對會導(dǎo)致能隙存在，超導(dǎo)臨界場、熱力學(xué)性質(zhì)和大多數(shù)電磁學(xué)性質(zhì)都是這種庫相對活動的結(jié)果。 元素或合金的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與費米面附近電子能態(tài)密度N(EF)和電子-聲子相互作用能U有關(guān)，可用電阻率來估計。BCS超導(dǎo)微觀理論在絕對零度下，對于超導(dǎo)態(tài)，低能量的即在費米球內(nèi)部深處的電子，仍與處在正常態(tài)中的一樣。 但在費米面附近的電子，則在吸引力作用下，按相反的動量和自旋全部結(jié)成庫柏對，也就是凝聚的超導(dǎo)電子，在有限溫度下，一方面出現(xiàn)一些不成對的單個激發(fā)電子，相當(dāng)于所謂正常的電子； 另一方面庫柏對吸引力減弱，結(jié)合程

7、度變差。溫度越高，成對的電子數(shù)越少，結(jié)合程度越差。當(dāng)達到臨界溫度時，庫柏對全部拆散成單個的正常電子，超導(dǎo)態(tài)即轉(zhuǎn)變成正常態(tài)了。 零電阻、能隙的解釋在超導(dǎo)態(tài)情況下，載流子是庫柏電子對。庫柏對的電子雖然受到散射，但在過程中，總動量不變，電流就不會變，相當(dāng)于無阻狀態(tài) 能隙就是破壞一個庫柏對所需要的能量，至少2 用BCS理論解釋超導(dǎo)性質(zhì) 26第一類超導(dǎo)體：只有一個臨界磁場 Hc 和正常態(tài)、超導(dǎo)態(tài)兩種狀態(tài)的超導(dǎo)體叫第 一類超導(dǎo)體。超導(dǎo)體的分類27272. 第二類超導(dǎo)體：具有兩個臨界磁場 Hc1、Hc2 ，并且可以經(jīng) 歷超導(dǎo)態(tài)、混合態(tài)和正常態(tài)這三種狀態(tài)的超導(dǎo)體，叫第二 類超導(dǎo)體。292.2、超導(dǎo)體的三個臨界

8、參數(shù) 1911年，荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯(Onnes)在成功地將氦氣液化、獲得4.2K的超低溫后，開始研究超低溫條件下金屬電阻的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度下降至4.2K時，汞電阻突然消失了！這就是超導(dǎo)現(xiàn)象，此時的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。30零電阻是超導(dǎo)體最基本的特性，它意味著電流可以在超導(dǎo)體內(nèi)無損耗地流動，使電力的無損耗傳輸成為可能；同時，零電阻允許有遠高于常規(guī)導(dǎo)體的載流密度，可用以形成強磁場或超強磁場。 31發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性后，昂內(nèi)斯即著手用超導(dǎo)體來繞制強磁體，但出乎他的意料，超導(dǎo)體在通上不大的電流后，超導(dǎo)電性就被破壞了，即超導(dǎo)體具有臨界電流Ic。此后，又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的臨界磁場Hc。Ic和Hc也是超導(dǎo)

9、體的基本特性，是實現(xiàn)超導(dǎo)體強電應(yīng)用的必要條件。 32臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic ）和臨界磁場（Hc ）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關(guān)性，只有當(dāng)超導(dǎo)體同時處于三個臨界條件以內(nèi)，即處于如圖2.1所示的三角錐形曲面內(nèi)側(cè)，才具有超導(dǎo)電性。 33二.產(chǎn)生的條件:342.2.1 臨界溫度Tc 超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度就叫做臨界溫度，以Tc表示。臨界溫度是在外部磁場、電流、應(yīng)力和輻射等條件維持足夠低時，電阻突然變?yōu)榱銜r的溫度。由于材料的不純，這種零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一個溫區(qū)域。 352.2.2 臨界磁場Hc()實驗發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)電性可以被外加磁場所破壞，對于溫度為T(TTc

10、)的超導(dǎo)體，當(dāng)外磁場超過某一數(shù)值Hc(T)的時候，超導(dǎo)電性就被破壞了，使它由超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài), 電阻重新恢復(fù)。36這種能夠破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場強度，叫做臨界磁場Hc(T) 。它與超導(dǎo)材料的性質(zhì)有關(guān)，不同材料的Hc變化范圍很大。在臨界溫度Tc，臨界磁場為零。Hc(T)和溫度的關(guān)系是隨溫度降低，Hc增加。一般可以近似地表示為拋物線關(guān)系：式中，Hc是絕對零度（0K）時的臨界磁場。37 2.2.3 臨界電流Ic(T)實驗表明，在不加磁場的情況下，超導(dǎo)體中通過足夠強的電流也會破壞超導(dǎo)電性，破壞超導(dǎo)電性所需要的最小極限電流，亦是產(chǎn)生臨界磁場的電流，也就是超導(dǎo)態(tài)允許流動的最大電流，稱作臨界電流Ic(T

11、)。38在臨界溫度Tc，臨界電流為零，這個現(xiàn)象可以從磁場破壞超導(dǎo)電性來說明。當(dāng)通過樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場達到Hc時，超導(dǎo)電性就被破壞這個電流的大小就是樣品的臨界電流。臨界電流隨溫度變化的關(guān)系有式中，c是絕對零度時的臨界電流。39 超導(dǎo)材料基本物理特性： 臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic三個臨界值。 超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時才顯示超導(dǎo)性，三者缺一不可，其中Tc、 Hc只與材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，是材料的本征參數(shù)。而Ic 和Hc不是相互獨立的，是彼此有關(guān)并依賴于溫度。三者關(guān)系可用曲面圖2.1表示。所以臨界值越高，實用性就越強，利用價值就越高。402.3 超導(dǎo)材料的基本特性

12、1零電阻效應(yīng)2超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）412.超導(dǎo)體的主要特征1.完全導(dǎo)電性（零電阻效應(yīng)） 某些物質(zhì)在一定值的溫度下，電阻突然變到零，或 者說電阻完全消失 ，這種狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài) ( super-conducting state )，而具有這種特性的物質(zhì)就稱為超導(dǎo)體 ( superconductor ) 。 超導(dǎo)體在剛剛進入超導(dǎo)態(tài)的溫度叫作 超導(dǎo)臨界溫度 ( superconducting critical temperature )，用 Tc 表示。即TTc時，超導(dǎo)體出于正常態(tài)。421.常導(dǎo)體的“零”電阻比超導(dǎo)體的“零”電 阻的值要大很多。2.常導(dǎo)體的電阻隨溫度漸變至“零”，而超 導(dǎo)體

13、的電阻隨溫度下降幾乎是躍變至 “零”的。3.超導(dǎo)體的“零”電阻是指直流電阻。如何理解超導(dǎo)體的”零電阻”超導(dǎo)體的”零”電阻和常導(dǎo)體的”零”電阻的含義是有根本區(qū)別的.常導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化曲線水銀電阻率隨溫度的變化432.臨界磁場效應(yīng)（Hc ） 當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，當(dāng)外磁場強度超過某一數(shù)值Hc時，超導(dǎo)電性被破壞，超導(dǎo)體會突然就變成正常導(dǎo)體，出現(xiàn)了電阻。Hc被稱為臨界磁場強度。 實驗表明對一定的超導(dǎo)體臨界磁場是溫度的函數(shù)。Hc ( T ) = Hc ( 0 ) 1 ( T Tc ) 2 Hc ( 0 ) 為 T 0 時的臨界磁場。T = Tc 時，Hc = 0，T 0 時， Hc 達到最大值。

14、高于臨界值是一般導(dǎo)體，低于此數(shù)值時成為超導(dǎo)體。Hc ( T ) = Hc ( 0 ) 1 ( T Tc ) 2 443.臨界電流效應(yīng)（Ic） 當(dāng)通過超導(dǎo)體的電流超過一定的數(shù)值Ic后，超導(dǎo)電性也可被破壞，稱Ic為臨界電流。4.完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)） 處在超導(dǎo)狀態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強度為零。如果把超導(dǎo)樣品放置到磁場中，然后冷卻到臨界溫度Tc以下，原來在樣品內(nèi)的磁通就要從樣品內(nèi)被排出，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）。45液氮環(huán)境下的超導(dǎo)實驗由邁斯納效應(yīng)可知，超導(dǎo)體在靜磁場中的行為可以近似地用“完全抗磁體”來描述。利用這一特性，可以實現(xiàn)磁懸浮。4647僅從超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)

15、象出發(fā)，得不到邁斯納效應(yīng)。同樣，用邁斯納效應(yīng)也不能描述零電阻現(xiàn)象。因此，邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個獨立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時具有零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)。 48邁斯納效應(yīng)產(chǎn)生的原因當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，在磁場的作用下，表面產(chǎn)生無損耗感應(yīng)電流，這個電流產(chǎn)生的磁場與原磁場的大小相等，方向相反，因而總合成磁場為零。即，無損感應(yīng)電流對外加磁場起著屏蔽的作用，因此又稱為抗磁性屏蔽電流。 49根據(jù)上述超導(dǎo)材料的兩個基本特征，可以看出：超導(dǎo)體是指某種物質(zhì)冷卻到某一溫度時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。502.6 超導(dǎo)材料的應(yīng)用2.6.1 高溫

16、超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的用途，大致可分為以下三類：（）大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）；（）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）；（）抗磁性應(yīng)用。51大電流應(yīng)用主要是指超群的超導(dǎo)磁體用于超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能等三方面。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。節(jié)能方面 （1）超導(dǎo)輸電 （2）超導(dǎo)發(fā)電機和電動機 （3）超導(dǎo)變壓器 麻煩的是，電纜必須一直浸在77K(約 -196)的液氦之中。因此，如果要架設(shè)這樣的電纜，每隔1 000米左右就必須安裝泵機和冷卻設(shè)備，大大增加了超導(dǎo)電纜方案的成本和復(fù)雜程度，這本身就消耗巨大的電能。熱絕緣結(jié)構(gòu)電纜基本結(jié)構(gòu)示意圖 從內(nèi)到外

17、，依次為： 管狀支撐物（一般為波紋管，內(nèi)通液氮）； 超導(dǎo)導(dǎo)體層（為超導(dǎo)帶材分層繞制）； 熱絕緣層（為真空隔熱套件）； 常規(guī)電氣絕緣層（工作在常溫下）； 電纜屏蔽層和護層（與常規(guī)電力電纜類似）。冷絕緣結(jié)構(gòu)電纜基本結(jié)構(gòu)示意圖 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)電纜屏蔽層和護層。磁懸浮列車的不足1、由于磁懸浮是以電磁力完成懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動功能的，斷電后磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車停電后的制動問題任

18、然是要解決的問題。其高速穩(wěn)定性和可靠性還需很長時間的運行考驗。2、常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的懸浮高度較低，因此對線路的平整度、路基下沉量及道岔結(jié)構(gòu)方面的要求較超導(dǎo)技術(shù)更高。3、超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)由于渦流效應(yīng)懸浮能耗較常到技術(shù)更大，冷卻系統(tǒng)重，強磁場對人體與環(huán)境都有影響。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？首先，磁浮鐵路的造價十分昂貴。與高速鐵路相比，修建磁浮鐵路費用昂貴。根據(jù)日本方面的估計，磁浮鐵路的造價每公里約需60億日元，比新干線高20。磁浮鐵路所需的投入較大，利潤回收期較長，投資的風(fēng)險系數(shù)也較高，從而也在一定程度上影響了投資者的信心，制約了磁浮鐵路的發(fā)展。為什么磁浮鐵路并沒

19、有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？其次，磁浮鐵路無法利用既有的線路，必須全部重新建設(shè)。由于磁浮鐵路與常規(guī)鐵路在原理、技術(shù)等方面完全不同，因而難以在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進行利用和改造。高速鐵路則不同，可以通過加強路基、改善線路結(jié)構(gòu)、減少彎度和坡度等方面的改造，某些既有線路或某些區(qū)段就可以達到高速鐵路的行車標(biāo)準(zhǔn)。在對既有線路進行高速鐵路改造的過程中，還可以實現(xiàn)高、中速混跑，列車根據(jù)不同區(qū)段的最高限速以不同的速度行駛。因而，與磁浮鐵路的全部重新建設(shè)相比，高速鐵路的線路和運行成本就大大降低了。為什么磁浮鐵路并沒有出現(xiàn)人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？再次，磁浮鐵路在速度上的優(yōu)勢并沒有凸顯

20、出來。30多年前，許多人認(rèn)為輪軌粘著式鐵路的極限速度為每小時250公里，后來又認(rèn)為是300-380公里。但是現(xiàn)在，法國的“高速列車”(TGV)、德國的“城際快車”(ICE)和穿越英吉利海峽的“歐洲之星”列車以及日本的新干線，其運行速度都達到或接近每小時300公里。1990年，在巴黎西部地區(qū)運行的法國第二代高速列車TGVA“大西洋”號更是創(chuàng)下了試驗時速515.3公里的世界紀(jì)錄。更何況，既便是磁浮鐵路的行車速度達到每小時450-500公里，在典型的500公里區(qū)間內(nèi)的運行中，也只比時速為300公里的高速鐵路節(jié)約半小時，其優(yōu)勢不是特別明顯。66其它高速列車-無砟軌道列車“砟”是小塊的石頭。常規(guī)鐵路都在

21、小塊石頭的基礎(chǔ)上，再鋪設(shè)枕木或混凝土軌枕，最后鋪設(shè)鋼軌，這種線路不適于列車高速行駛。無砟軌枕本身是混凝土澆灌而成，路基也不用碎石，鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上。無砟軌道67無砟軌道是當(dāng)今世界先進的軌道技術(shù)，可減少維護、降低粉塵、美化環(huán)境，列車時速可達200公里以上?！俺晒喔哞F” (中西部鐵路建設(shè)中首次運用無砟技術(shù))于2009年5月12日正式投入運營，時速可達218公里，從成都至青城山景區(qū)不超過40分鐘。建設(shè)中的京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵均采用無砟軌道技術(shù)。682010年9月28日，滬杭高鐵試運行，運行時速高達416.6公里。無砟軌道和無縫鋼軌聯(lián)結(jié)，再加上新一代

22、高速動車組國產(chǎn)“和諧號” CRH380A，共同創(chuàng)造出世界鐵路運營試驗最高時速記錄。滬杭高鐵692010年12月3日，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間進行的先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗中，CRH380A高速動車組最高運行時速達到486.1公里，這是繼9月28日滬杭高鐵試運行創(chuàng)下時速416.6公里之后，中國高鐵再次刷新世界鐵路運營試驗最高速度。 京滬高鐵四、電子信息領(lǐng)域的應(yīng)用超導(dǎo)材料1、超導(dǎo)計算機第四節(jié) 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 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)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件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，同時計算機的運算速度大大提高。此外，正在研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。三、研究領(lǐng)域的應(yīng)用冷