2021-2022學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：超導(dǎo)體的電磁特性

1、超導(dǎo)體的電磁特性121911年，荷蘭萊頓大學(xué)H. Kamerlingh-Onnes發(fā)現(xiàn)水銀在 4.2 K時(shí)電阻消失1973年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)合金鈮鍺合金，臨界溫度 23.2 K1986年底，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室氧化物材料，臨界溫度 40K （液氫）1986年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)氧化物L(fēng)aBaCuO，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(dǎo)電性，出現(xiàn)超導(dǎo)電現(xiàn)象的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度（critical temperature），常用TC 表示34一、超導(dǎo)體(superco

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

3、 B BC6 逐漸增大磁場(chǎng)到達(dá)一定值后，超導(dǎo)體會(huì)從超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài)，把破壞超導(dǎo)電性所需的最小磁場(chǎng)稱為臨界磁場(chǎng)，記為Hc。有經(jīng)驗(yàn)公式： Hc(T)=H0(0) (1-T2/Tc2)正常態(tài)1Bc/B0T/TC1超導(dǎo)態(tài)HC/H0當(dāng)超導(dǎo)體內(nèi)電流 IIC 時(shí)，超導(dǎo)態(tài)將轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。 當(dāng)超導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)也將作用于超導(dǎo)體自身，磁場(chǎng)達(dá)到BC時(shí)，超導(dǎo)性也被破壞. 臨界電流ICBC時(shí)對(duì)應(yīng)的電流為7 將超導(dǎo)體置于磁場(chǎng)仍保持超導(dǎo)態(tài)，或在磁場(chǎng)中由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體都將把磁感應(yīng)線完全排斥到體外去, 此現(xiàn)象稱邁斯納效應(yīng)或完全抗磁性。3. 邁斯納效應(yīng) （W.F.Meissner effect） 磁

4、場(chǎng)只能透入超導(dǎo)體表面約107 m數(shù)量級(jí)深度完全抗磁性和零電阻性是超導(dǎo)體的兩種彼此獨(dú)立的基本性質(zhì) 超導(dǎo)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(dǎo)體內(nèi)部 B= 恒矢量, 不隨時(shí)間變化， 若在磁場(chǎng)中降溫至 T Tc , 變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體內(nèi)只能保持失去電阻時(shí)磁場(chǎng)狀態(tài)不變, 不能得到B=0 84. 同位素效應(yīng)（isotopes effect） 這種特性稱同位素效應(yīng)。 同種材料同位素在化學(xué)性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)及靜電性質(zhì)等方面都相同，只是不同原子量對(duì)晶體點(diǎn)陣的熱振動(dòng)(晶格振動(dòng))的特性有影響。 超導(dǎo)體的同位素效應(yīng)暗示了電子與晶格之間的相互作用是超導(dǎo)現(xiàn)象中的重要

5、因素，為超導(dǎo)電性的研究提供了重要啟示。 同種超導(dǎo)材料不同同位素的臨界溫度TC與原子量M有一定關(guān)系 9超導(dǎo)體的應(yīng)用大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用） 發(fā)電、輸電、儲(chǔ)能電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用） 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件抗磁性應(yīng)用 磁懸浮列車、熱核聚變反應(yīng)堆10五、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用 （1）在電力工程方面的應(yīng)用 (發(fā)電、輸電、儲(chǔ)能)圖1 超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維) 超導(dǎo)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(dǎo)線圈儲(chǔ)存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革.11超導(dǎo)發(fā)電機(jī) 在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈

6、磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高510倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50 12超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置 超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置是利用超導(dǎo)線圈將電磁能直接儲(chǔ)存起來，需要時(shí)再將電磁能返回電網(wǎng)或其它負(fù)載的一種電力設(shè)施。一般由超導(dǎo)線圈、低溫容器、制冷裝置、變流裝置和測(cè)控系統(tǒng)幾個(gè)部件組成。其中超導(dǎo)線圈是超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的核心部件，它可以是一個(gè)螺旋管線圈或是環(huán)形線圈 13超導(dǎo)限流器 超導(dǎo)限流器是利用超導(dǎo)體的超導(dǎo)/正常態(tài)轉(zhuǎn)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(dá)到限流作用的一種電力設(shè)備。超導(dǎo)限流器集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一體，反應(yīng)速度快，正常運(yùn)行時(shí)的損耗很低，能自動(dòng)復(fù)位，克服了常規(guī)熔斷器只能使用一次的缺點(diǎn) 。14（2）超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點(diǎn)，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)?、石油、各種礦藏的位置和儲(chǔ)量，并可用于地震預(yù)報(bào) 圖8 超導(dǎo)量子干涉儀 15超導(dǎo)數(shù)字電路 超導(dǎo)數(shù)字電路利用約瑟夫森結(jié)在零電壓態(tài)和能隙電壓態(tài)之間的快速轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)二元信息。應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)的器件可以制成開關(guān)元件，其開關(guān)速度可達(dá)10-