2.超導材料課件

2.3.4超導材料1精選2021版課件2超導材料超導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。

2精選2021版課件

2.1超導材料的發(fā)展歷程1911年，科學家發(fā)現(xiàn)，金屬的電阻和它的溫度條件有很大關系：溫度高時，它的電阻就增加，溫度低時電阻減少。3精選2021版課件

1.超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1911年，昂內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4.2K左右時，水銀的電阻竟然消失了！

4精選2021版課件低溫超導體的臨界轉變溫度最高為30K，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。低溫超導體應用的局限性5精選2021版課件26種超導金屬元素6精選2021版課件研究發(fā)現(xiàn)：金屬合金的超導轉變溫度比單質金屬稍微高一些鍺三鈮(Nb3Ge)的超導轉變溫度為23.2K,在20世紀80年代以前是最高記錄。7精選2021版課件

1986年，貝特諾茨和繆勒從別人多次失敗中總結教訓，放棄了在金屬和合金中尋找超導材料的老觀念，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)超導現(xiàn)象。8精選2021版課件而后朱經武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系合金的超導溫度更接近室溫，達120K。使超導溫度從極為寒冷的液氦區(qū)進入到比較溫暖的液氮區(qū)。9精選2021版課件二流體模型

·BCS理論二超導基本原理10精選2021版課件二流體模型

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，電子在金屬內共有化，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

=γT，γ是電子比熱系數(shù)。比熱：11精選2021版課件實驗表明，當達到臨界溫度時，晶格結構沒有發(fā)生變化，但金屬比熱卻發(fā)生了跳躍式轉變。這種轉變是由于電子發(fā)生了某種轉變，可能金屬內的電子變成了“超流電子”。基于這種聯(lián)想高特-卡西米提出了二流體模型12精選2021版課件

二流體模型認為金屬超導轉變后，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。13精選2021版課件14另一個實驗是倫敦的模型，超導電流只分布在超導線表面附近的薄層內，超導體內沒有電流也沒有磁場，因此體現(xiàn)抗磁性。14精選2021版課件二流體模型的成功之處：二流體模型的局限性：1.把超導體中的電子分為兩類：常態(tài)電子和超導電子。2.認為超導態(tài)與電子的狀態(tài)有關。1.電子是如何從常態(tài)變成超導態(tài)？2.為何超導電流只分布在超導線表面附近的薄層內？15精選2021版課件

·同位素效應

·超導能隙

·機理解釋

·BCS理論16精選2021版課件

·

同位素效應

超導臨界轉變Tc與原子質量的平方根成反比

17精選2021版課件由于晶格振動的頻率也與原子量的平方根成反比，所以同位素效應也暗示了超導體中電子行為和晶格之間的密切聯(lián)系。18精選2021版課件超導能隙由超導態(tài)的比熱容可知，超導態(tài)的電子能譜中存在一個半寬度為Δ的能量間隔，在這個能量間隔內禁止電子占據(jù)，人們把2Δ或Δ稱為超導態(tài)的能隙。19精選2021版課件

L.N.Cooper認為超導態(tài)是由正則動量(機械動量與場動量之和)為零的超導電子組成的，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20精選2021版課件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。

21精選2021版課件庫柏電子對庫柏(Cooper)證明：當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。22精選2021版課件BCS超導微觀理論超導電性來源于電子間通過晶格作媒介所產生的相互吸引作用，當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，從而導致超導電性的出現(xiàn)。庫柏對會導致能隙存在，超導臨界場、熱力學性質和大多數(shù)電磁學性質都是這種庫相對活動的結果。

元素或合金的超導轉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，可用電阻率來估計。23精選2021版課件BCS超導微觀理論在絕對零度下，對于超導態(tài)，低能量的即在費米球內部深處的電子，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成庫柏對，也就是凝聚的超導電子，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，相當于所謂正常的電子；另一方面庫柏對吸引力減弱，結合程度變差。溫度越高，成對的電子數(shù)越少，結合程度越差。當達到臨界溫度時，庫柏對全部拆散成單個的正常電子，超導態(tài)即轉變成正常態(tài)了。24精選2021版課件零電阻、能隙的解釋在超導態(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2Δ用BCS理論解釋超導性質25精選2021版課件26第一類超導體：只有一個臨界磁場Hc和正常態(tài)、超導態(tài)兩種狀態(tài)的超導體叫第一類超導體。超導體的分類26精選2021版課件27272.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)的超導體，叫第二

類超導體。27精選2021版課件28精選2021版課件2.2、超導體的三個臨界參數(shù)

1911年，荷蘭物理學家昂內斯(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，結果發(fā)現(xiàn)：當溫度下降至4.2K時，汞電阻突然消失了！這就是超導現(xiàn)象，此時的溫度稱為超導臨界溫度Tc。29精選2021版課件

零電阻是超導體最基本的特性，它意味著電流可以在超導體內無損耗地流動，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)導體的載流密度，可用以形成強磁場或超強磁場。

30精選2021版課件發(fā)現(xiàn)超導電性后，昂內斯即著手用超導體來繞制強磁體，但出乎他的意料，超導體在通上不大的電流后，超導電性就被破壞了，即超導體具有臨界電流Ic。此后，又發(fā)現(xiàn)了超導體的臨界磁場Hc。Ic和Hc也是超導體的基本特性，是實現(xiàn)超導體強電應用的必要條件。

31精選2021版課件

臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic）和臨界磁場（Hc）是“約束”超導現(xiàn)象的三大臨界條件。三者具有明顯的相關性，只有當超導體同時處于三個臨界條件以內，即處于如圖2.1所示的三角錐形曲面內側，才具有超導電性。

32精選2021版課件二.產生的條件:33精選2021版課件

2.2.1臨界溫度Tc

超導體從常導態(tài)轉變?yōu)槌瑢B(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，這種零電阻轉變前后，跨越了一個溫區(qū)域。34精選2021版課件2.2.2臨界磁場Hc(Ｔ)

實驗發(fā)現(xiàn)，超導電性可以被外加磁場所破壞，對于溫度為T(T＜Tc)的超導體，當外磁場超過某一數(shù)值Hc(T)的時候，超導電性就被破壞了，使它由超導態(tài)轉變?yōu)槌B(tài),電阻重新恢復。35精選2021版課件這種能夠破壞超導態(tài)所需的最小磁場強度，叫做臨界磁場Hc(T)。它與超導材料的性質有關，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)和溫度的關系是隨溫度降低，Hc增加。一般可以近似地表示為拋物線關系：式中，Hc０是絕對零度（0K）時的臨界磁場。36精選2021版課件

2.2.3臨界電流Ic(T)

實驗表明，在不加磁場的情況下，超導體中通過足夠強的電流也會破壞超導電性，破壞超導電性所需要的最小極限電流，亦是產生臨界磁場的電流，也就是超導態(tài)允許流動的最大電流，稱作臨界電流Ic(T)。37精選2021版課件在臨界溫度Tc，臨界電流為零，這個現(xiàn)象可以從磁場破壞超導電性來說明。當通過樣品的電流在樣品表面產生的磁場達到Hc時，超導電性就被破壞．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系有式中，Ｉc０是絕對零度時的臨界電流。38精選2021版課件

超導材料基本物理特性：臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic三個臨界值。超導材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時才顯示超導性，三者缺一不可，其中Tc、Hc只與材料的電子結構有關，是材料的本征參數(shù)。而Ic和Hc不是相互獨立的，是彼此有關并依賴于溫度。三者關系可用曲面圖2.1表示。所以臨界值越高，實用性就越強，利用價值就越高。39精選2021版課件2.3超導材料的基本特性

1．零電阻效應

2．超導體的完全抗磁性（邁斯納效應）40精選2021版課件2.超導體的主要特征1.完全導電性（零電阻效應）某些物質在一定值的溫度下，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-conductingstate)，而具有這種特性的物質就稱為超導體(superconductor)。超導體在剛剛進入超導態(tài)的溫度叫作超導臨界溫度(superconductingcriticaltemperature)，用Tc表示。即T<Tc時，電阻為零，T>Tc時，超導體出于正常態(tài)。41精選2021版課件1.常導體的“零”電阻比超導體的“零”電

阻的值要大很多。2.常導體的電阻隨溫度漸變至“零”，而超

導體的電阻隨溫度下降幾乎是躍變至

“零”的。3.超導體的“零”電阻是指直流電阻。如何理解超導體的”零電阻”超導體的”零”電阻和常導體的”零”電阻的含義是有根本區(qū)別的.常導體的電阻率隨溫度的變化曲線水銀電阻率隨溫度的變化42精選2021版課件2.臨界磁場效應（Hc）

當超導體處于超導態(tài)時，當外磁場強度超過某一數(shù)值Hc時，超導電性被破壞，超導體會突然就變成正常導體，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。高于臨界值是一般導體，低于此數(shù)值時成為超導體。Hc(T)=Hc(0)[1－(T／Tc)2]43精選2021版課件3.臨界電流效應（Ic）當通過超導體的電流超過一定的數(shù)值Ic后，超導電性也可被破壞，稱Ic為臨界電流。4.完全抗磁性（邁斯納效應）

處在超導狀態(tài)時，超導體內部磁感應強度為零。如果把超導樣品放置到磁場中，然后冷卻到臨界溫度Tc以下，原來在樣品內的磁通就要從樣品內被排出，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應（Meissnereffect）。44精選2021版課件液氮環(huán)境下的超導實驗由邁斯納效應可知，超導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。45精選2021版課件46精選2021版課件僅從超導體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應。同樣，用邁斯納效應也不能描述零電阻現(xiàn)象。因此，邁斯納效應和零電阻性質是超導態(tài)的兩個獨立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導電性必須看是否同時具有零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應。47精選2021版課件邁斯納效應產生的原因

當超導體處于超導態(tài)時，在磁場的作用下，表面產生無損耗感應電流，這個電流產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。

48精選2021版課件根據(jù)上述超導材料的兩個基本特征，可以看出：

超導體是指某種物質冷卻到某一溫度時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質內部失去磁通成為完全抗磁性的物質。49精選2021版課件

2.6超導材料的應用

2.6.1高溫超導材料的應用高溫超導材料的用途，大致可分為以下三類：（１）大電流應用（強電應用）；（２）電子學應用（弱電應用）；（３）抗磁性應用。50精選2021版課件

大電流應用主要是指超群的超導磁體用于超導發(fā)電、輸電和儲能等三方面。

電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；

抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。51精選2021版課件節(jié)能方面（1）超導輸電（2）超導發(fā)電機和電動機（3）超導變壓器52精選2021版課件53精選2021版課件

麻煩的是，電纜必須一直浸在77K(約-196℃)的液氦之中。因此，如果要架設這樣的電纜，每隔1000米左右就必須安裝泵機和冷卻設備，大大增加了超導電纜方案的成本和復雜程度，這本身就消耗巨大的電能。54精選2021版課件55精選2021版課件熱絕緣結構電纜基本結構示意圖

從內到外，依次為：

管狀支撐物（一般為波紋管，內通液氮）；

超導導體層（為超導帶材分層繞制）；

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）。56精選2021版課件冷絕緣結構電纜基本結構示意圖

從內到外，依次為：

管狀支撐物（內通液氮）；

超導導體層（為電纜載流導體）；

電氣絕緣層（工作在液氮低溫環(huán)境下）；

超導屏蔽層（為超導帶材繞制）；

液氮回流層（與管狀支撐物內的液氮構成液氮回流循環(huán)）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規(guī)電纜屏蔽層和護層。57精選2021版課件58精選2021版課件59精選2021版課件60精選2021版課件61精選2021版課件磁懸浮列車的不足1、由于磁懸浮是以電磁力完成懸浮、導向和驅動功能的，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、常導磁懸浮技術的懸浮高度較低，因此對線路的平整度、路基下沉量及道岔結構方面的要求較超導技術更高。3、超導磁懸浮技術由于渦流效應懸浮能耗較常到技術更大，冷卻系統(tǒng)重，強磁場對人體與環(huán)境都有影響。62精選2021版課件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。63精選2021版課件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？其次，磁浮鐵路無法利用既有的線路，必須全部重新建設。由于磁浮鐵路與常規(guī)鐵路在原理、技術等方面完全不同，因而難以在原有設備的基礎上進行利用和改造。高速鐵路則不同，可以通過加強路基、改善線路結構、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準。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相比，高速鐵路的線路和運行成本就大大降低了。64精選2021版課件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)勢并沒有凸顯出來。30多年前，許多人認為輪軌粘著式鐵路的極限速度為每小時250公里，后來又認為是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TGV－A“大西洋”號更是創(chuàng)下了試驗時速515.3公里的世界紀錄。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。65精選2021版課件其它高速列車-無砟軌道列車“砟”是小塊的石頭。常規(guī)鐵路都在小塊石頭的基礎上，再鋪設枕木或混凝土軌枕，最后鋪設鋼軌，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66精選2021版課件無砟軌道是當今世界先進的軌道技術，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”(中西部鐵路建設中首次運用無砟技術)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。67精選2021版課件2010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，再加上新一代高速動車組國產“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68精選2021版課件2010年12月3日，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間進行的先導段聯(lián)調聯(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69精選2021版課件四、電子信息領域的應用超導材料1、超導計算機第四節(jié)超導材料的應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