超導簡介課件

超導簡介1.超導是怎樣發(fā)現(xiàn)的？2.超導體有哪幾個臨界參量？3.什么是邁斯納效應？4.傳統(tǒng)超導體必須同時具有什么特性？5.BCS理論是什么？6.何為第一類超導體？何為第二類超導體？7.什么是高溫超導？8.什么是約瑟夫森效應？9.超導有何應用？一超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1908年，荷蘭物理學家卡末林·昂內斯(Hei-keKamerlinghOnnes，1853－1926)首次液化了

之前，人們已經知道，隨著溫度的降低，金屬的電阻也會越來越小。那么，隨著溫度降到熱力學溫度零度附近時金屬的電阻會怎樣變化呢？

1911年，卡末林·昂內斯和他的學生一起，選擇了當時最容易提純的水銀作為實驗材料，在液氦的溫度下進行了認真的研究。實驗的結果使他們大吃一驚。當溫度降到4.2K

左右時，水銀氦氣。人們第一次達到了當時地球上的最低溫度，大約4.2K

左右。的電阻竟然突然地消失了！

經過反復檢查后，卡末林·昂內斯終于證實了這是真實的情況。

昂內斯因對物質低溫性質的研究和液氦的制備而獲得1913年度的諾貝爾物理學獎。二超導體的三個臨界參量1.超導體的臨界溫度Tc

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)稱為超導態(tài)(super-

超導體在剛剛進入超導態(tài)的溫度叫作超導臨界溫度(superconductingcriticaltemperature)，一些元素的超導臨界溫度超導體(superconductor)。conductingstate)，而具有這種特性的物質就稱為用Tc表示。

一些超導材料的臨界溫度

超導臨界溫度提高的情況

超導體的電阻值比它在0℃的電阻值至少要小10-10倍。

電阻率也遠小于10-23Ω·cm。而0℃時，良導體銅的電阻率為1.6×10-6Ω·cm，超導體的電阻實際上可看作零。2.超導體的臨界磁場Hc

當通到線圈的電流產生的磁場超過一定強度時，超導體會突然就變成正常導體，出現(xiàn)了電阻。這種大到一定強度就破壞超導態(tài)的磁場值，實驗表明對一定的超導體臨界磁場是溫度的叫做臨界磁場，用Hc表示。函數(shù)。T=Tc時，Hc

=0Hc不僅與超導體本身性質有關，還與溫度T有關，Hc(T)=Hc(0)Hc(0)為T→0時的臨界磁場。[1－(T／Tc)2]T→0時，Hc達到最大值。高于臨界值是一般導體，低于此數(shù)值時成為超導體。3.超導體的臨界電流Ic

實驗表明，如果在不加磁場的情況下，當通過超導體的電流大到一定程度時，也將會破壞超Ic的大小隨溫度T的高低而變化，三邁斯納效應1933年，德國物理學家邁斯納

(W.F.Meissner，1882－1974)和奧克森菲爾德

(R.Ochsenfeld)對錫單晶體超導體做磁場分布測量時，在小磁場中把金屬冷卻進入超導態(tài)時，超導導態(tài)，這個電流值叫做臨界電流，用Ic表示。Ic為零。在Tc下，體內的磁感應線似乎一下子被“排斥”出去，保持體內磁感應強度

B

=0。

實驗表明，不論在進入超導態(tài)之前金屬體內有沒有磁感應線，當它進入超導態(tài)后，只要外磁場B0＜

Bc，超導內B總是等于零，即B

=0。由此可求得金屬在超導態(tài)的相對磁導率μr=－1(μr

＜

0，抗磁質，物

質具有抗磁性

)，超導體具有完全抗磁性(perfectdiamagnetism)。也稱為邁斯納效應(Meissnereffect)。

超導體的邁斯納效應的意義在于否定了超導體是理想導體的概念。電阻為零和完全抗磁性是超導體最基本的兩個性質，衡量一種材料是否具

根據超導體完全抗磁性的性質，人們曾設計了一個有趣的實驗，如果把一塊磁鐵放在一個超有超導性必須看是否同時有零電阻和邁斯納效應。

邁斯納效應表明，處于超導態(tài)的超導體是一個具有完全抗磁性的抗磁體。實際上磁場強度B有一穿透深度穿透深度導體做成的盤子中，由于磁鐵的磁力線無法穿透超導體，兩者之間將產生一個斥力，磁鐵就會懸浮起來。

這種情況就象是在超導盤下方，有一塊相同的鏡象磁鐵存在一樣。

根據這種原理，可以利用超導體做成無摩擦軸承、高精度的導航用超導陀螺儀以及磁懸浮列車等。四傳統(tǒng)超導體的微觀機制1.二流體模型

荷蘭物理學家戈特和卡西米爾兩個人在熱力學理論的基礎上提出了一個模型。在超導體中存在有兩種電子，它們彼此獨立地流動。一種是正常的電子，另一種是超導電子。這兩種電子就象兩種流體一樣在超導體中流動。在正常態(tài)時，只有正常電子，所以它的行為就和正常導體一樣，存在電阻。當T降到Tc以下時，進入超導態(tài)，這時超導體就出現(xiàn)了超導電子，它們可以不受任何阻礙地在超導體中流動，T越低，超導電子就越多。當T無限地接近熱力學溫度零度時，超導體中就只有超導電子存在了。這樣一個模型，稱為“二流體模型”。2.同位素效應1950年，一位叫弗勒利希的英國物理學家提出，產生超導的相互作用是電子和點陣之間的相互作用。弗勒利希的理論也提出了一個預言，超導體的Tc將反比于構成該超導體的同位素質量的平方根。Tc∝同位素質量越大，Tc就越低。這一效應叫做同位素效應。如水銀M從199.5

變化到203.4原子質量單位時，Tc從4.185K變到4.146K。

同位素：具有相同數(shù)目質子和不同數(shù)目中子的元素，在化學性質上是相同的，它們叫做同位素。

幾乎就在同時，美國有兩個實驗物理學家組成的小組分別在實驗室中發(fā)現(xiàn)，超導體的Tc確實反比于超導體的同位素質量的平方根。

電子和點陣的相互作用一定是產生超導的原因所在。

3.庫珀對1956年的時候，有一位叫利昂·庫珀(LeonNorthCooper,1930－)的美國物理學家又提出一個重要的觀點：當滿足一定條件，在電子和電子之間存在有吸引力時，這兩個電子就會形成一個“電子對”，它們被束縛在一起。這樣的“電子對”稱為“庫珀對”。

電子對圖象的提出，終于使人們初步看到了超導體內部的微觀機制的真相。

4.超導電性的BCS理論1957年，約翰·巴丁(JohnBardeen,1908－1991，美國)、利昂·庫珀和約翰·施里弗(JohnRobertSchrieffer,1931－，美國)三人共同創(chuàng)立了近代超導微觀理論，被稱為超導BCS理論。(巴庫施理論)

金屬中的原子離解為帶負電的自由電子和帶正電的離子，離子排列成周期性的點陣。在金屬的T＞Tc的情況下，自由電子在金屬導體中運動時，它與金屬晶格點陣上的離子發(fā)生碰撞而散射，這就是金屬導體具有電阻的原因。金屬導體的電阻

當金屬的T＜Tc時，導體具有超導電性。BCS理論認為，自由電子在點陣中運動時，由于異號電荷間的吸引力作用，影響了晶體點陣的振動，從而使晶體內局部區(qū)域發(fā)生畸變，晶體內部的畸變可以像波動一樣從一處傳至另一處。從量子觀點看，光子是光波傳播過程中的能量子；仿此，晶體中由點陣的振動產生畸變而傳播的點陣波的能量子，稱為“聲子”，聲子可被晶體中的自由電子所吸收，于是兩個自由電子通過交換聲子而耦合起來。這就像一個電子發(fā)射的聲子，被另一個電子所吸收。于是兩電子之間彼此吸引，成為束縛在一起的電子對，這就是常稱的“庫珀對”。研究表明，組成庫珀對的兩個電子之間的距離約為10-6m，而晶體的晶格常數(shù)約為10-10m，即在晶體中庫珀對要伸展到數(shù)千個原子的范圍內。進一步的研究還表明，庫珀對中的兩個電子的自旋和動量均等值相反，所以每一庫珀對的動量之和為零。庫珀對的結合是松散的。

5.倫敦方程

德國物理學家F·倫敦和H·倫敦兄弟倆經過一年的努力，在

1935年發(fā)表文章提出了適用于超導電子的兩個新的方程。這兩個方程被人們稱為“倫敦方程”。第一倫敦方程ns：庫珀對的數(shù)密度m=2me庫珀對的質量js

持續(xù)電流密度q=－2e庫珀對攜帶的電量

第一倫敦方程是確定電流密度與電場強度的第二倫敦方程js=

倫敦方程和麥克斯韋方程組結合起來，就說明了超導體的各種電磁性質，也解釋了不久前發(fā)現(xiàn)的邁斯納效應。方程。取代正常金屬歐姆定律jn=σE。B

倫敦方程是唯象理論(唯象理論：預先作一些工作假定，在這些假定的基礎上再結合其他基本理論來說明某些物理現(xiàn)象。)倫敦方程表明：靜電時超導體內電場為零，E=0即完全抗電體。

第二倫敦方程表明：超導電流是有旋的，可以在一環(huán)形回路中形成持續(xù)的超導環(huán)流。

倫敦方程可以證明js和B都只存在于超導體稱為倫敦穿透深度，實驗測出約50nm。表面厚度約為的一層內，亦即有邁斯納效應。五第二類超導體

早在20世紀30年代時，物理學家就已經發(fā)現(xiàn)，在某些合金材料的超導體中，臨界磁場可以有很高的值。而且當外磁場增加到一定的程度后，超導體內也開始有磁場滲入，而超導態(tài)卻依然存在，直到外磁場達到更高的臨界值時，超導體才進入正常態(tài)。這種類型的超導體有兩個臨界磁場：Hc1和

Hc2。1.第一類超導體只有一個臨界磁場Hc和正常態(tài)、超導態(tài)兩種2.第二類超導體

具有兩個臨界磁場Hc1、Hc2，

并且可以經歷超導態(tài)、混合態(tài)和正常態(tài)這三種狀態(tài)的超狀態(tài)的超導體叫第一類超導體。導體，叫第二類超導體。

第二類超導體又有理想第二類超導體和非理想第二類超導體的區(qū)別。(1)理想第二類超導體

在混合態(tài)中，超導體內的磁通線非常整齊的按一定的幾何圖形排列，后來稱為“磁通格子”。

在第一類超導體中，由于體內磁場為零，所以電流只能在其表面很薄的一層中流過，超導體內很大的空間中卻沒有電流，這樣就限制了超導體的臨界電流。

在第二類超導體的混合態(tài)中，超導體內有磁通線存在，而在磁通線周圍有渦旋電流流動。當磁通線均勻排列時，這些渦旋電流彼此抵消，所以體內無電流通過。這就是理想第二類超導體。(2)非理想第二類超導體

磁通量子（fluxon）F.倫敦在1950年時就預言說，超導體中磁通量的變化是不連續(xù)的,有一個最小的單位φ0=hc／e。

在20世紀60年代初，人們從實驗上也觀察到了磁通量的量子化，它與F.倫敦的預言只差兩倍。超導體中是電子對起作用，而電子對的電荷非理想第二類超導體數(shù)為2e，所以φ0=hc／2e。

但如果磁通線在超導體內分布不均勻時，體內各處的渦旋電流不能完全抵消，就會出現(xiàn)體內的電流。

人們設想在材料的加工過程中，有意的在超導體內形成一些缺陷，這些缺陷將阻礙磁通線的運動，把它們固定下來。這樣就提高了超導體承載宏觀電流的能力，從而提高了臨界電流值。這樣的超導體就是非理想第二類超導體。

利用這樣的方法，人們終于在1961年使用非理想第二類超導體鈮三錫(

Nb3Sn)首次制成了第一個強磁場超導磁體(superconductingmagnet)。隨著第二類超導體認識的深入，超導應用的序幕終于拉開了。六約瑟夫森效應1.能隙

在超導體的電子能譜中，有一小塊空白的區(qū)域，不允許電子具有這塊區(qū)域中的能量。這個不能有電子存在的能量間隔就叫超導能隙。2.隧道效應

量子力學中，在原子電子的微觀世界中，一個能量不高的電子可以通過“開鑿”一條看不見的隧道，而越過能量很高的勢能。當然，并不是每個電子都能夠這樣，量子力學指出，電子對勢能的這種穿透是有一定概率的，這種概率隨勢能的厚度和高度增加而迅速減小。在微觀世界中，粒子的這種奇特本領，就叫隧道效應。1959年，美國的物理學家伊瓦爾·賈埃弗(IvarGiae-ver，1929－)做了這樣一個實驗，把一塊超導體和一塊正常金屬連接起來，在它們之間夾了一層很薄的絕緣介質層。對于在超導體和正常金屬中的電子來說，這個絕緣介質層就相當于一個勢壘，當它很薄很薄時，電子穿過的概率就很大了。在超導體和正常金屬兩端加上電壓后，賈埃弗成功地觀察到了電子的隧道效應。并利用這種方法很準地測量了超導能隙。1960年時，他又把絕緣層兩邊都換成超導體，實驗也同樣成功。

在賈埃弗的實驗中，是超導體中的正常電子通過隧道效應而越過絕緣層。1962年，年輕的英國物理學家布賴恩·約瑟夫森(BrainDavidJosephson，1940－)大顯身手，從理論上對于超導體－勢壘－超導體的情況進行了認真的計算。得出了一系列難以想象的結果：不僅電子對也能夠以隧道效應穿過絕緣層，在勢壘兩邊電壓為零的情況下，產生直流超導電流，

構成電子對的兩個電子能夠作為一個整體而越過絕緣層嗎？3.約瑟夫森效應(Josephsoneffect)此現(xiàn)象叫直流約瑟夫森效應(d.c.Josephsoneffect)。

在勢壘兩邊有一定電壓V0

時，還會有特定頻率的交流超導電流存在，1μV的直流電壓產生振蕩的頻率為483.6MHz(該頻率稱為約瑟夫森頻率

)。這種現(xiàn)象稱為交流約瑟夫森效應(a.c.Josephsoneffect)。

隨后，大量的實驗證實了約瑟夫森的所有預言。1963年安德森(P.W.Anderson)和羅威爾便發(fā)現(xiàn)了零電壓超導電流(直流約瑟夫森效應)，夏皮羅(S.Shapiro)也觀察到了振蕩超導電流(交流約瑟夫森效應)。人們把它們統(tǒng)稱為約瑟夫森效應。

約瑟夫森、賈埃弗和江崎玲于奈(LeoEsaki，1925－，日本，發(fā)現(xiàn)半導體的隧道效應)由于他們的重大貢獻而獲得了1973年的諾貝爾物理學獎。

人們后來認識到，并不僅僅是在超導體－絕緣體－超導體這樣的結構中才有約瑟夫森效應，只要將兩塊超導體以某種“弱連接”[結區(qū)具有超導電性(庫珀對可以穿過)，而這超導電性又是微弱的(臨界電流只有微安到毫安數(shù)量級)，換句話說，形成了超導電性的薄弱環(huán)節(jié)。]的方式耦合起來，就可能會出現(xiàn)這些效應。因此，對約瑟夫森效應應有更廣義地理解。

1986年4月，喬治·柏諾茲(J.GeorgBednorz，1950－，瑞士)和卡爾·繆勒(KarlA.Muller，1927－，德國)向德國《物理雜志》提交了題為“Ba－La－Cu－O系統(tǒng)中可能的高Tc超導電性”的論文。后來，日本東京大學的幾位學者根據他們的配方復制了類似的樣品，證實鋇鑭銅氧化物具有完全抗磁性。Tc提高到了33K。

柏諾茲和繆勒的發(fā)現(xiàn)使人類從基本探索和認識超導電性跨越到超導技術開發(fā)時代。

柏諾茲和繆勒因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學獎。七高溫超導

把1986年4月以后發(fā)現(xiàn)的較高溫度下的超導體稱為高溫超導。高溫超導材料都是陶瓷一類氧化物，其超導機理與低溫下的金屬或合金超導有很大不同。

1987年2月24日中國科學院宣布，趙忠賢領導的科研組已將釔鋇銅氧

(Y－Ba－Cu－O)材料的Tc提高到了92.8

K以上，從而實現(xiàn)了轉變溫度在液氮溫區(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，故大大擴展了超導的應用前景。

由鉍、鍶、鈣、銅和氧構成的高溫超導材料已制成超導導線，比常規(guī)銅線運載電流大100倍。1998年7月，北京有色金屬研究總院與兄弟單位共同研制成我國第一根1米長的鉍系高溫超導直流輸電模型電纜，運載電流達到1200安，使我國順利成為世界上少數(shù)幾個掌握這一技術的國家。

2000年11月26日北京有色金屬研究總院宣布，設在該院的超導材料研究中心研究成功我國第一根百米長的鉍系高溫超導帶材，表明我國超導材料研究從實驗室邁向應用階段，達到國際先進水平。

此次研制成功的高溫超導帶材長116米，寬

美《科學》評出2001年十大科學成就，其中一個是開發(fā)出了新的超導材料。2001年科學家發(fā)現(xiàn)了臨界溫度更高的新型超導材料，使人類朝著開發(fā)高溫超導材料領域邁出了一大步。3.6毫米，厚為0.28毫米，以螺旋管方式纏繞，用四引線法全長度測量，77K

液態(tài)溫度自場下臨臨界電流達12.7安培。

高溫超導帶材達到100米以上就可進入生產領域。主要用作輸電電纜、變壓器、核磁共振成象等?，F(xiàn)在一般輸電電纜在長距離輸送時，電力損耗達20％，而高溫超導長帶材做成的輸電電纜，輸電損耗幾乎為零，可極大地降低輸電成本。八超導的應用超導的應用一般分為強電應用1.強電應用

超導體的零電阻顯示其具有無損耗輸運電流的性質，輸運電流密度達103

A·mm-2以上，超導在強電方面的主要應用包括：(1)用于高能物理受控熱核反應和凝聚態(tài)物理研究的強磁體，超導磁體目前達到的磁場B=30T。

和弱電應用。托卡馬克裝置（磁約束聚變實驗研究裝置）

今年9月，由美國得克薩斯大學捐贈價值2000萬美元的磁約束裝置TEXT－U

托卡馬克裝置中的一部分運抵華中科技大學。TEXT－U是美國能源部投資，得克薩斯大學研究的中等規(guī)模通用型磁約束聚變實驗研究裝置，特別適合作為教學裝置，培養(yǎng)我國聚變工程所急需的高級人才。

中美共建TEXT－U

開放型聚變實驗室在華中科技大學。(2)用于核磁共振(NMR)裝置上，以提供1～10T的均勻磁場。2003年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授于現(xiàn)年74歲的美國科學家保羅·勞特布爾和現(xiàn)年70歲的英國科學家彼得·曼斯菲爾德，以表彰他們在核磁共振成像技術領域的突破性成就。兩位科學家將分享共為130萬美元的獎金。

核磁共振成像技術是一種精確的、非入侵的方法對人體內部器官進行成像，它精度高，可以獲得患者身體內部結構的立體圖像。根據現(xiàn)有實驗結果，它對身體沒有損害。(3)用于制造發(fā)電機、電動機，據估計100萬(4)用于產生高速列車上的磁懸浮。

磁懸浮列車千瓦超導發(fā)電機與常規(guī)發(fā)電機比較，重量只有后者的25％～50％，體積只有后者的30％～50％，經濟上也合算得多。

具有低噪音、無污染、安全舒適和高速高效的特點。磁懸浮列車的運動原理

磁懸浮列車按懸浮方式不同一般分為推斥型和吸力型兩種，按運行速度又有高速和中低速之分。

在列車下部裝上超導線圈，在地面上排列鋁制線圈，當超導線圈通有電流且列車啟動后，由于電磁感應效應，地面線圈與超導線圈之間產生排斥力，使得列車可能懸浮在鐵軌上。只須維持超導線圈中超導材料處于超導態(tài)溫度的能源，而無須牽引列車的能源，故節(jié)約了能源。

磁懸浮列車運行的動力，來自于地面導軌中排列的線圈和車身之間產生的磁力。由于磁極之間同性相斥、異性相吸，產生了向前的驅動力。通過電流方向的改變，使地面導軌中線圈呈現(xiàn)的極性改變，從而不斷地產生使列車前進的動力。通過調節(jié)電流的大小，便可控制列車驅動力的大小，這樣，列車運行的速度就可自如地控制了。

另一類磁懸浮列車是通過向上鋪設的鐵軌和車身的電磁鐵的吸引力，控制電流的大小并保持大于10mm

的空隙而懸浮起來。地面鐵軌與永久磁鐵之間放置超導簾柵(即超導線圈組)，當列車偏離穩(wěn)定狀態(tài)，如傾斜，超導線圈與鐵軌回路之間產生電磁感應現(xiàn)象，由此產生作用力，使列車恢復到穩(wěn)定平衡位置。

上述兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的使用基礎是利用高溫超導材料，才能大大節(jié)約能源。

由北京控股磁懸浮技術發(fā)展有限公司投資，國防科技大學負責系統(tǒng)設計與集成，雙方共同組織國內10多家科研單位和企業(yè)奮力攻關，建造的擁有自主知識產權的我國第一臺磁懸浮列車及其實驗線路。

磁懸浮列車是一種前景廣闊的新型交通工具。它利用電磁力抵消地球引力，使列車懸浮在軌道上，懸浮間隙約1厘米。通過直線電機牽引列車前進，在運行過程中，列車與軌道處于一種“若即若離”的狀態(tài)，故有“零高度飛行器”的美譽。磁懸浮列車自重20噸，車廂(首車)長度為15米，寬度3米，載重量可達10噸，共44個座位，可載客130多人。

經過2000公里的無故障試驗運行表明，試驗線已達到實際運營線路標準，完全可以成為一種新型交通工具。

隨著我國第一條中低速磁浮列車試驗線的建成并實現(xiàn)無故障運行。今年春節(jié)后，北京開工修建八大嶺高速公路出口處至八達嶺長城景區(qū)2.2公里的磁浮列車旅游觀光運營線。

作為2008年奧運會的重大工程，北京東直門到首都機場建磁浮，總長24.8公里。

上海引進德國高速磁浮技術，修建了西起地鐵2號線龍陽路站，冬至浦東國際機場一期航站樓，長31公里的運營線。2003年元月1