2021-2022學年高二物理競賽課件：超導體的電磁特性

1、超導體的電磁特性121911年，荷蘭萊頓大學H. Kamerlingh-Onnes發(fā)現(xiàn)水銀在 4.2 K時電阻消失1973年，發(fā)現(xiàn)超導合金鈮鍺合金，臨界溫度 23.2 K1986年底，美國貝爾實驗室氧化物材料，臨界溫度 40K （液氫）1986年，發(fā)現(xiàn)超導氧化物LaBaCuO，臨界溫度 35 K1987年2月，朱經(jīng)武（美）趙忠賢 YBCO 臨界溫度 90 K 77K (液氮)1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O，臨界溫度 125 K電阻為零的現(xiàn)象稱為超導電性，出現(xiàn)超導電現(xiàn)象的溫度稱為轉變溫度或臨界溫度（critical temperature），常用TC 表示34一、超導體(superco

2、nductor)的主要電磁特性1. 零電阻性(zero resistance ) 電阻為零的導體是理想導體 =0， 根據(jù) E= j0 得 E=0 , 即使 j0 0， E=0 超導體內部不可能存在隨時間變化的磁場 電磁感應定律微分形式超導線圈觀察超導零電阻實驗 即使有電流，理想導體內部電場也為零降溫至 T TC5 將超導體放在磁場中（TTC），保持溫度不變，逐漸增大磁場達到某特定值時超導態(tài)轉變?yōu)檎B(tài)，此特定值稱臨界磁場BC2. 臨界磁場 / 臨界電流 (critical field /current )正常態(tài)1Bc/B0T/Tc1超導態(tài) 超導態(tài)滿足: 溫度 TTC 和 磁場 BTC 或 磁場

3、 B BC6 逐漸增大磁場到達一定值后，超導體會從超導態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導電性所需的最小磁場稱為臨界磁場，記為Hc。有經(jīng)驗公式： Hc(T)=H0(0) (1-T2/Tc2)正常態(tài)1Bc/B0T/TC1超導態(tài)HC/H0當超導體內電流 IIC 時，超導態(tài)將轉變?yōu)檎B(tài)。 當超導體中有電流通過時，電流產(chǎn)生的磁場也將作用于超導體自身，磁場達到BC時，超導性也被破壞. 臨界電流ICBC時對應的電流為7 將超導體置于磁場仍保持超導態(tài)，或在磁場中由正常態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(tài)，超導體都將把磁感應線完全排斥到體外去, 此現(xiàn)象稱邁斯納效應或完全抗磁性。3. 邁斯納效應 （W.F.Meissner effect） 磁

4、場只能透入超導體表面約107 m數(shù)量級深度完全抗磁性和零電阻性是超導體的兩種彼此獨立的基本性質 超導體的完全抗磁性來源于零電阻性是一種誤解。B0B=0B= - B0 零電阻性推論：理想導體內部 B= 恒矢量, 不隨時間變化， 若在磁場中降溫至 T Tc , 變?yōu)槌瑢B(tài)，超導體內只能保持失去電阻時磁場狀態(tài)不變, 不能得到B=0 84. 同位素效應（isotopes effect） 這種特性稱同位素效應。 同種材料同位素在化學性質、晶體結構、電子組態(tài)及靜電性質等方面都相同，只是不同原子量對晶體點陣的熱振動(晶格振動)的特性有影響。 超導體的同位素效應暗示了電子與晶格之間的相互作用是超導現(xiàn)象中的重要

5、因素，為超導電性的研究提供了重要啟示。 同種超導材料不同同位素的臨界溫度TC與原子量M有一定關系 9超導體的應用大電流應用（強電應用） 發(fā)電、輸電、儲能電子學應用（弱電應用） 超導計算機、超導天線、超導微波器件抗磁性應用 磁懸浮列車、熱核聚變反應堆10五、超導技術的應用 （1）在電力工程方面的應用 (發(fā)電、輸電、儲能)圖1 超導導線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維) 超導輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導線圈儲存能量在軍事上有重大應用，超導線圈用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導致電工領域的重大變革.11超導發(fā)電機 在電力領域，利用超導線圈

6、磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6 萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高510倍，達1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50 12超導儲能裝置 超導儲能裝置是利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負載的一種電力設施。一般由超導線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測控系統(tǒng)幾個部件組成。其中超導線圈是超導儲能裝置的核心部件，它可以是一個螺旋管線圈或是環(huán)形線圈 13超導限流器 超導限流器是利用超導體的超導/正常態(tài)轉變特性，有效限制電力系統(tǒng)故障短路電流，能夠快速和有效地達到限流作用的一種電力設備。超導限流器集檢測、觸發(fā)和限流于一體，反應速度快，正常運行時的損耗很低，能自動復位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點 。14（2）超導技術在電子工程方面的應用 用超導技術制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應快、損耗小等特點，如用超導量子干涉儀可確定地熱、石油、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預報 圖8 超導量子干涉儀 15超導數(shù)字電路 超導數(shù)字電路利用約瑟夫森結在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉換來實現(xiàn)二元信息。應用約瑟夫森效應的器件可以制成開關元件，其開關速度可達10-