33-超導(dǎo)材料解析課件

3.3超導(dǎo)材料3.3超導(dǎo)材料1超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1911年，荷蘭科學(xué)家昂納斯在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。昂納斯,1913年獲諾貝爾物理獎超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1911年，荷蘭科學(xué)家昂納斯在研究極低溫度下23.3.1超導(dǎo)研究歷史1911年——Onnes發(fā)現(xiàn)Hg，現(xiàn)已有5000種。1911～1932年——元素超導(dǎo)體，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。1933年——邁斯納（Meissner）和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)邁斯納效應(yīng)。1933—1953年——合金、過渡金屬碳化物和氮化物的超導(dǎo)現(xiàn)象。1953～1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等1957年，BCS理論被提出1969年，超導(dǎo)纖維研制成功1973年——Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、NbGe等，最高Tc=23.2K。金屬氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，BaPbxBi1-xO3。1975年——500Km/h的磁懸浮列車研制成功。1986年——Muller(繆勒)和Bednorz(柏諾茲)發(fā)現(xiàn)高溫超體。1987年——趙忠賢、陳立泉研制成功Tc=93K的YBaCuO。1988~至今——高溫超導(dǎo)迅猛發(fā)展，Tc不斷升高。3.3.1超導(dǎo)研究歷史1911年——Onnes發(fā)現(xiàn)Hg，現(xiàn)已3一些超導(dǎo)材料的臨界溫度一些超導(dǎo)材料433-超導(dǎo)材料解析課件53.3.2超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)1：完全導(dǎo)電性（零電阻），超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時，其電阻率實際上等于零。例如：室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的“持久電流”。3.3.2超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)1：完全導(dǎo)電性（零電6高溫超導(dǎo)體YBCO的電阻-溫度曲線高溫超導(dǎo)體YBCO的電阻-溫度曲線7超導(dǎo)體完全導(dǎo)電性的解釋機理—BCS理論該理論以其發(fā)明者巴丁（Bardeen）庫珀（Cooper）施里弗（Schrieffer）的名字首字母命名。超導(dǎo)現(xiàn)象于1911年發(fā)現(xiàn)，但直到1957年，美國科學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗在《物理學(xué)評論》提出BCS理論，其微觀機理才得到一個令人滿意的解釋。巴丁、庫珀和施里弗因為提出超導(dǎo)電性的BCS理論而獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎

超導(dǎo)體完全導(dǎo)電性的解釋機理—BCS理論該理論以其發(fā)明者巴8BCS理論：——適用于金屬晶體金屬晶體是有周期型排列的金屬正離子和可以自由移動的自由電子構(gòu)成。金屬晶體中的電子處于帶正電的原子核環(huán)境中，當(dāng)溫度處于超導(dǎo)體的臨界溫度以下時T<Tc，電子不再單獨一個一個存在，帶負(fù)電的電子吸引原子核向它靠攏，那么在電子周圍形成局域正電勢密集區(qū)，吸引第二個自旋相反的電子。這個電子和原來的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對，成為庫柏電子對。兩個電子自旋方向相反，動量大小相等，方向相反，總能量為零。庫柏電子對的能量低于兩個單獨電子的能量。BCS理論：——適用于金屬晶體9庫柏電子對在晶格中運動沒有阻力，這是因為兩個電子在電場作用下運動時，受到晶格的散射時，發(fā)生相反的動量改變，結(jié)果電子的總動量不變，所以晶格的散射不能加快也不能減慢電子的運動，宏觀上表現(xiàn)為直流電阻為零的超導(dǎo)形式。BCS理論針對金屬的超導(dǎo)，無法成功的解釋高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象

庫柏電子對在晶格中運動沒有阻力，這是因為兩個電子在電場作用下10相干長度：是由吸引力束縛在一起的兩個電子。實際上這種吸引作用并不強。一個庫柏對的尺寸約為10-4cm左右，這個尺寸相當(dāng)于晶格常數(shù)的10萬倍。由此可見，一個庫柏對在空間延展的范圍是很大的，在這空間范圍內(nèi)存在著許多個庫柏對互相重疊交叉的分布。庫柏對有一定的尺寸，反映了組成庫柏對的兩個電子，不像兩個正常電子那樣，完全互不相關(guān)的獨立運動，而是存在著一種關(guān)聯(lián)性。

相干長度：是由吸引力束縛在一起的兩個電子。實際上這種吸引作用11正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)E正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)E122.完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))

邁斯納效應(yīng)當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。2.完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))

邁斯納效應(yīng)13電阻為零和完全抗磁性是超導(dǎo)體最基本的兩個性質(zhì)，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)性必須看是否同時有零電阻和邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)表明，處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體是一個具有完全抗磁性的抗磁體穿透深度實際上磁場強度B有一穿透深度電阻為零和完全抗磁性是超導(dǎo)體最基本的兩個性質(zhì)，衡量一種材料14當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反，因而總合成磁場為零。換句話說，這個無損耗感應(yīng)電流對外加磁場起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。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，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電15觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗現(xiàn)象：在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了。原因：由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗16根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用超導(dǎo)陀螺儀、磁懸浮列車等。根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用173.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)臨界溫度（TC）超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）通過超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界磁場（HC）施加給超導(dǎo)體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。3.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)18臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。只有當(dāng)上述三個條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約19Tc、Hc、Jc任一條件變化都會從超導(dǎo)態(tài)變成正常態(tài)正常態(tài)HHcTcT超導(dǎo)態(tài)Ic(V)IV失超臨界電流：即當(dāng)每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為1V時所輸送的電流Tc、Hc、Jc正常態(tài)HHcTcT超導(dǎo)態(tài)Ic(V)IV失超臨203.3.3超導(dǎo)體分類元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體陶瓷超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體3.3.3超導(dǎo)體分類元素超導(dǎo)體21目前已查明:在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。

1.元素超導(dǎo)體目前已查明:在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元22由于這類超導(dǎo)體臨界溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅為9.5K由于這類超導(dǎo)體臨界溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅232.合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體是機械強度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場強度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。3.金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。2.合金超導(dǎo)體2433-超導(dǎo)材料解析課件251986,繆勒、柏諾茲發(fā)現(xiàn)高溫超體。超導(dǎo)材料獲得了更高的臨界溫度

如：YBaCuO（Tc＝90K）TiBaCaCuO（Tc＝120K從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點為77.3K，價格比液氦便宜100倍，冷卻效率高63倍，且氮又是十分安全的氣體，故大大擴展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。4.高溫超導(dǎo)體1986,繆勒、柏諾茲發(fā)現(xiàn)高溫超體。4.高溫超導(dǎo)261987年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎高溫超導(dǎo)理論:下一個諾貝爾獎?

1987年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎高溫超導(dǎo)理論:27把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)。高溫超導(dǎo)材料都是陶瓷類氧化物。把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)。28這些高Tc銅氧化物超導(dǎo)材料有許多共同的結(jié)構(gòu)特征：層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)組元

導(dǎo)電層（銅氧層）Cu-O6八面體Cu-O5四方錐Cu-O4平面四邊形載流子庫層空穴電子調(diào)節(jié)載流子濃度提供耦合機制這些高Tc銅氧化物超導(dǎo)材料有許多共同的結(jié)構(gòu)特征：層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)29LaBaCuO4LaBaCuO4301層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以看作是由導(dǎo)電層和絕緣的組合層構(gòu)成的夾層狀結(jié)構(gòu)。2導(dǎo)電層是由一層或幾層Cu-O平面組成的，電導(dǎo)和超導(dǎo)都是主要發(fā)生在這些Cu-O層上，電學(xué)性質(zhì)和超導(dǎo)性質(zhì)都具有強烈的各向異性。絕緣的組合層也可稱作載流子庫層。向CuO面提供載流子。高溫銅氧化物超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)特征：1層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以看作是由導(dǎo)電層和絕緣的組合層構(gòu)成31銅氧化物高溫超導(dǎo)材料：可以看作是由相應(yīng)的絕緣的母體化合物通過“摻雜”演變過來的。摻雜改變載流子庫層的電價，產(chǎn)生載流子向CuO層的轉(zhuǎn)移，使CuO層有導(dǎo)電性。母體：La2CuO4摻雜物：Sr，Ba載流子庫層：空穴以LaBaCuO4為例銅氧化物高溫超導(dǎo)材料：可以看作是由相應(yīng)的絕緣的母體化合物通過32中國制造MadeinChina2002年1月長116m，寬3.6mm，厚0.28mm鉍系高溫超導(dǎo)帶材試制成功。2002年4月340m長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。已達(dá)到了國際先進(jìn)水平中國制造MadeinChina2002年1月335.高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到10K5.高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用34其它新型超導(dǎo)體C60(足球狀)有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場均較大，這些特點使C60超導(dǎo)體更有望實用化。C60被譽為21世紀(jì)新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、磁、化學(xué)等多方面的新奇特性和應(yīng)用前景。

C60其它新型超導(dǎo)體C6035MgB2：二硼化鎂（MgB2），其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)39K。二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)為研究新一類具有簡單組成和結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)體找到新途徑。易合成和加工，容易制成薄膜或線材。MgB2：36超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類：1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）：發(fā)電，輸電和儲能2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計算機，濾波器，微波器件等3.抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等3.3.4超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類：3.3.4超導(dǎo)材料的應(yīng)用37超導(dǎo)發(fā)電機

發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場繞組中使用超導(dǎo)線,這個繞組用溫度極低的液態(tài)氦(其沸點為—269℃)冷卻。由于繞組電阻為零,流過大在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯。超導(dǎo)發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率300KW超導(dǎo)單極300發(fā)電機

1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）超導(dǎo)發(fā)電機發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場繞組中使用超導(dǎo)線,這個繞組用溫度38超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線。從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線。從而把電力幾乎3933-超導(dǎo)材料解析課件40超導(dǎo)計算機

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，而散熱正是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。如果超大規(guī)模集成電路中元件之間的互連線用零電阻或接近零電阻的、不發(fā)熱或僅微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，則不存在散熱問題，亦更能提高計算機的運算速度。2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）超導(dǎo)計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密41高溫超導(dǎo)濾波器

所有的無線電接收裝置在接受外界訊號時總伴有一定的噪音。噪音主要可分為兩部分：一是外界信號帶入的，可用檢波的方法加以消除；二是裝置的線路內(nèi)部產(chǎn)生的噪音，這一部分噪音不能消除。這是由于電路中存在一種所謂熱噪音，它起源于電阻、電感和接線中的電子和晶格的碰撞。高溫超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下電阻為零，這意味著高溫超導(dǎo)體的熱噪音十分小。高溫超導(dǎo)濾波器所有的無線電接收裝置在接受外界訊號時總伴有42超導(dǎo)磁懸浮列車-零高度的飛行器

超導(dǎo)材料的另一重要特征是具有完全的抗磁性。利用這種抗磁性可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。3.抗磁性應(yīng)用優(yōu)點：(1)省能源(2)低噪音(3)高速超導(dǎo)磁懸浮列車-零高度的飛行器超導(dǎo)材料的另一重要特征是具有43磁懸浮列車的運動原理在列車下部裝上超導(dǎo)線圈，在地面上排列鋁制線圈，當(dāng)超導(dǎo)線圈通有電流且列車啟動后，由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，地面線圈與超導(dǎo)線圈之間產(chǎn)生排斥力，使得列車可能懸浮在鐵軌上。只須維持超導(dǎo)線圈中超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)溫度的能源，而無須牽引列車的能源，故節(jié)約了能源。磁懸浮列車的運動原理在列車下部裝上超導(dǎo)線圈，在地面上排列鋁制44磁懸浮列車運行的動力，來自于地面導(dǎo)軌中排列的線圈和車身之間產(chǎn)生的磁力。由于磁極之間同性相斥、異性相吸，產(chǎn)生了向前的驅(qū)動力。通過電流方向的改變，使地面導(dǎo)軌中線圈呈現(xiàn)的極性改變，從而不斷地產(chǎn)生使列車前進(jìn)的動力。通過調(diào)節(jié)電流的大小，便可控制列車驅(qū)動力的大小，這樣，列車運行的速度就可自如地控制了。磁懸浮列車運行的動力，來自于地面導(dǎo)軌中排列的線圈和車身之間4533-超導(dǎo)材料解析課件46德國磁懸浮列車

1999年４月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時速已達(dá)552公里，創(chuàng)世界鐵路時速最高紀(jì)錄。實驗性行駛

西南交通大學(xué)研制成功的超導(dǎo)磁懸浮列車，最高設(shè)計時速達(dá)500公里

2002年4月5日我國第一條磁懸浮列車試驗線在長沙建成通車，設(shè)計時速150公里

德國磁懸浮列車1999年４月，日本研制的超導(dǎo)磁懸浮列車時速47上海在運營的磁懸浮列車磁懸浮列車內(nèi)部情況上海在運營的磁懸浮列車磁懸浮列車內(nèi)部情況48明天的超導(dǎo)應(yīng)用超導(dǎo)電磁炮超導(dǎo)高速公路超導(dǎo)芯片超導(dǎo)飛船超導(dǎo)“金霸王”明天的超導(dǎo)應(yīng)用超導(dǎo)電磁炮超導(dǎo)高速公路超導(dǎo)芯片超導(dǎo)飛船超導(dǎo)“金493.3超導(dǎo)材料3.3超導(dǎo)材料50超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1911年，荷蘭科學(xué)家昂納斯在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象。超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。昂納斯,1913年獲諾貝爾物理獎超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：1911年，荷蘭科學(xué)家昂納斯在研究極低溫度下513.3.1超導(dǎo)研究歷史1911年——Onnes發(fā)現(xiàn)Hg，現(xiàn)已有5000種。1911～1932年——元素超導(dǎo)體，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。1933年——邁斯納（Meissner）和奧森菲爾德發(fā)現(xiàn)邁斯納效應(yīng)。1933—1953年——合金、過渡金屬碳化物和氮化物的超導(dǎo)現(xiàn)象。1953～1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等1957年，BCS理論被提出1969年，超導(dǎo)纖維研制成功1973年——Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、NbGe等，最高Tc=23.2K。金屬氧化物超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)，BaPbxBi1-xO3。1975年——500Km/h的磁懸浮列車研制成功。1986年——Muller(繆勒)和Bednorz(柏諾茲)發(fā)現(xiàn)高溫超體。1987年——趙忠賢、陳立泉研制成功Tc=93K的YBaCuO。1988~至今——高溫超導(dǎo)迅猛發(fā)展，Tc不斷升高。3.3.1超導(dǎo)研究歷史1911年——Onnes發(fā)現(xiàn)Hg，現(xiàn)已52一些超導(dǎo)材料的臨界溫度一些超導(dǎo)材料5333-超導(dǎo)材料解析課件543.3.2超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)1：完全導(dǎo)電性（零電阻），超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時，其電阻率實際上等于零。例如：室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的“持久電流”。3.3.2超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)與理論基礎(chǔ)1：完全導(dǎo)電性（零電55高溫超導(dǎo)體YBCO的電阻-溫度曲線高溫超導(dǎo)體YBCO的電阻-溫度曲線56超導(dǎo)體完全導(dǎo)電性的解釋機理—BCS理論該理論以其發(fā)明者巴?。˙ardeen）庫珀（Cooper）施里弗（Schrieffer）的名字首字母命名。超導(dǎo)現(xiàn)象于1911年發(fā)現(xiàn)，但直到1957年，美國科學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗在《物理學(xué)評論》提出BCS理論，其微觀機理才得到一個令人滿意的解釋。巴丁、庫珀和施里弗因為提出超導(dǎo)電性的BCS理論而獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎

超導(dǎo)體完全導(dǎo)電性的解釋機理—BCS理論該理論以其發(fā)明者巴57BCS理論：——適用于金屬晶體金屬晶體是有周期型排列的金屬正離子和可以自由移動的自由電子構(gòu)成。金屬晶體中的電子處于帶正電的原子核環(huán)境中，當(dāng)溫度處于超導(dǎo)體的臨界溫度以下時T<Tc，電子不再單獨一個一個存在，帶負(fù)電的電子吸引原子核向它靠攏，那么在電子周圍形成局域正電勢密集區(qū)，吸引第二個自旋相反的電子。這個電子和原來的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對，成為庫柏電子對。兩個電子自旋方向相反，動量大小相等，方向相反，總能量為零。庫柏電子對的能量低于兩個單獨電子的能量。BCS理論：——適用于金屬晶體58庫柏電子對在晶格中運動沒有阻力，這是因為兩個電子在電場作用下運動時，受到晶格的散射時，發(fā)生相反的動量改變，結(jié)果電子的總動量不變，所以晶格的散射不能加快也不能減慢電子的運動，宏觀上表現(xiàn)為直流電阻為零的超導(dǎo)形式。BCS理論針對金屬的超導(dǎo)，無法成功的解釋高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象

庫柏電子對在晶格中運動沒有阻力，這是因為兩個電子在電場作用下59相干長度：是由吸引力束縛在一起的兩個電子。實際上這種吸引作用并不強。一個庫柏對的尺寸約為10-4cm左右，這個尺寸相當(dāng)于晶格常數(shù)的10萬倍。由此可見，一個庫柏對在空間延展的范圍是很大的，在這空間范圍內(nèi)存在著許多個庫柏對互相重疊交叉的分布。庫柏對有一定的尺寸，反映了組成庫柏對的兩個電子，不像兩個正常電子那樣，完全互不相關(guān)的獨立運動，而是存在著一種關(guān)聯(lián)性。

相干長度：是由吸引力束縛在一起的兩個電子。實際上這種吸引作用60正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)E正常態(tài)超導(dǎo)態(tài)E612.完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))

邁斯納效應(yīng)當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強度為零。超導(dǎo)體的這種特殊性質(zhì)被稱為“邁斯納效應(yīng)”。2.完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))

邁斯納效應(yīng)62電阻為零和完全抗磁性是超導(dǎo)體最基本的兩個性質(zhì)，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)性必須看是否同時有零電阻和邁斯納效應(yīng)。邁斯納效應(yīng)表明，處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體是一個具有完全抗磁性的抗磁體穿透深度實際上磁場強度B有一穿透深度電阻為零和完全抗磁性是超導(dǎo)體最基本的兩個性質(zhì)，衡量一種材料63當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電流。這個電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反，因而總合成磁場為零。換句話說，這個無損耗感應(yīng)電流對外加磁場起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。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，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應(yīng)電64觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗現(xiàn)象：在錫盤上放一條永久磁鐵，當(dāng)溫度低于錫的轉(zhuǎn)變溫度時，小磁鐵會離開錫盤飄然升起，升至一定距離后，便懸空不動了。原因：由于磁鐵的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，在錫盤感應(yīng)出持續(xù)電流的磁場，與磁鐵之間產(chǎn)生了排斥力，磁體越遠(yuǎn)離錫盤，斥力越小，當(dāng)斥力減弱到與磁鐵的重力相平衡時，就懸浮不動了。觀察邁納斯效應(yīng)的磁懸浮試驗65根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用超導(dǎo)陀螺儀、磁懸浮列車等。根據(jù)這種原理，可以利用超導(dǎo)體做成無摩擦軸承、高精度的導(dǎo)航用663.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)臨界溫度（TC）超導(dǎo)體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導(dǎo)性。臨界電流密度（JC）通過超導(dǎo)體的電流密度必須小于某一臨界電流密度才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。臨界磁場（HC）施加給超導(dǎo)體的磁場必須小于某一臨界磁場才能保持超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。3.超導(dǎo)態(tài)的臨界參數(shù)67臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。只有當(dāng)上述三個條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約68Tc、Hc、Jc任一條件變化都會從超導(dǎo)態(tài)變成正常態(tài)正常態(tài)HHcTcT超導(dǎo)態(tài)Ic(V)IV失超臨界電流：即當(dāng)每厘米樣品長度上出現(xiàn)電壓為1V時所輸送的電流Tc、Hc、Jc正常態(tài)HHcTcT超導(dǎo)態(tài)Ic(V)IV失超臨693.3.3超導(dǎo)體分類元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體陶瓷超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體3.3.3超導(dǎo)體分類元素超導(dǎo)體70目前已查明:在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導(dǎo)電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。

1.元素超導(dǎo)體目前已查明:在常壓下具有超導(dǎo)電性的元素金屬有32種（如右圖元71由于這類超導(dǎo)體臨界溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅為9.5K由于這類超導(dǎo)體臨界溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅722.合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體是機械強度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場強度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。3.金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。2.合金超導(dǎo)體7333-超導(dǎo)材料解析課件741986,繆勒、柏諾茲發(fā)現(xiàn)高溫超體。超導(dǎo)材料獲得了更高的臨界溫度

如：YBaCuO（Tc＝90K）TiBaCaCuO（Tc＝120K從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度在液氮溫區(qū)的突破。液氮的沸點為77.3K，價格比液氦便宜100倍，冷卻效率高63倍，且氮又是十分安全的氣體，故大大擴展了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。4.高溫超導(dǎo)體1986,繆勒、柏諾茲發(fā)現(xiàn)高溫超體。4.高溫超導(dǎo)751987年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎高溫超導(dǎo)理論:下一個諾貝爾獎?

1987年兩人獲得諾貝爾物理學(xué)獎高溫超導(dǎo)理論:76把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)。高溫超導(dǎo)材料都是陶瓷類氧化物。把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導(dǎo)體稱為高溫超導(dǎo)。77這些高Tc銅氧化物超導(dǎo)材料有許多共同的結(jié)構(gòu)特征：層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)組元

導(dǎo)電層（銅氧層）Cu-O6八面體Cu-O5四方錐Cu-O4平面四邊形載流子庫層空穴電子調(diào)節(jié)載流子濃度提供耦合機制這些高Tc銅氧化物超導(dǎo)材料有許多共同的結(jié)構(gòu)特征：層狀鈣鈦結(jié)構(gòu)78LaBaCuO4LaBaCuO4791層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以看作是由導(dǎo)電層和絕緣的組合層構(gòu)成的夾層狀結(jié)構(gòu)。2導(dǎo)電層是由一層或幾層Cu-O平面組成的，電導(dǎo)和超導(dǎo)都是主要發(fā)生在這些Cu-O層上，電學(xué)性質(zhì)和超導(dǎo)性質(zhì)都具有強烈的各向異性。絕緣的組合層也可稱作載流子庫層。向CuO面提供載流子。高溫銅氧化物超導(dǎo)材料結(jié)構(gòu)特征：1層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，可以看作是由導(dǎo)電層和絕緣的組合層構(gòu)成80銅氧化物高溫超導(dǎo)材料：可以看作是由相應(yīng)的絕緣的母體化合物通過“摻雜”演變過來的。摻雜改變載流子庫層的電價，產(chǎn)生載流子向CuO層的轉(zhuǎn)移，使CuO層有導(dǎo)電性。母體：La2CuO4摻雜物：Sr，Ba載流子庫層：空穴以LaBaCuO4為例銅氧化物高溫超導(dǎo)材料：可以看作是由相應(yīng)的絕緣的母體化合物通過81中國制造MadeinChina2002年1月長116m，寬3.6mm，厚0.28mm鉍系高溫超導(dǎo)帶材試制成功。2002年4月340m長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。已達(dá)到了國際先進(jìn)水平中國制造MadeinChina2002年1月825.高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到10K5.高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用83其它新型超導(dǎo)體C60(足球狀)有較大的發(fā)展?jié)摿?，由于它彈性較大，比質(zhì)地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的臨界電流、臨界磁場均較大，這些特點使C60超導(dǎo)體更有望實用化。C60被譽為21世紀(jì)新材料的”明星”，這種材料已展現(xiàn)了機械、光、電、磁、化學(xué)等多方面的新奇特性和應(yīng)用前景。

C60其它新型超導(dǎo)體C6084MgB2：二硼化鎂（MgB2），其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)39K。二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)為研究新一類具有簡單組成和結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)體找到新途徑。易合成和加工，容易制成薄膜或線材。MgB2：85超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類：1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）：發(fā)電，輸電和儲能2.電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計算機，濾波器，微波器件等3.抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等3.3.4超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用大致可分為三類：3.3.4超導(dǎo)材料的應(yīng)用86超導(dǎo)發(fā)電機

發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場繞組中使用超導(dǎo)線,這個繞組用溫度極低的液態(tài)氦(其沸點為—269℃)冷卻。由于繞組電阻為零,流過大在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯。超導(dǎo)發(fā)電機，擁有兩萬千瓦的功率300KW超導(dǎo)單極300發(fā)電機

1.大電流應(yīng)用（強電應(yīng)用）超導(dǎo)發(fā)電機發(fā)電機轉(zhuǎn)子的磁場繞組中使用超導(dǎo)線,這個繞組用溫度87超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還