電氣材料基礎(chǔ) 課件 第5章 導(dǎo)電材料（4學(xué)時）

1《電氣材料基礎(chǔ)》第5章導(dǎo)電材料25.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容3

導(dǎo)電材料指允許電流持續(xù)流通的材料。

導(dǎo)電過程有三個要素：導(dǎo)電通路本質(zhì)是材料中的載流子在電場作用下貫穿電極間的定向遷移。導(dǎo)電通路：由材料本征結(jié)構(gòu)和特性決定。導(dǎo)帶電子、電子/離子遷移通道等載流子：電子或離子通常以一種類型的電荷載體為主。電場：外界作用。載流子電場5.1導(dǎo)電材料分類4良導(dǎo)體、不良導(dǎo)體及超導(dǎo)體良導(dǎo)體ρ<10–8Ω·m,主要功能:傳輸電能及電信號，要求在傳輸過程中能量損失盡可能少。良導(dǎo)體包括銀、銅、金和鋁。金和銀是貴金屬，只用于特殊場合，如用于高頻的鍍銀銅線、鍍金的印刷線路板等。大量應(yīng)用銅和鋁，銅的導(dǎo)電性能和機械加工性能都優(yōu)于鋁，但它在自然界的蘊藏量遠少于鋁，因此在一般應(yīng)用中有以鋁代銅的趨勢。5.1導(dǎo)電材料分類按電導(dǎo)率大小不良導(dǎo)體ρ>10–8Ω·m，不良導(dǎo)體不宜應(yīng)用于電能傳輸與良導(dǎo)體組成復(fù)合材料，如鋁包鋼、不銹鋼包銅等，用于增加強度、耐腐蝕、耐高溫以及降低價格等；用于能量轉(zhuǎn)換，例如，作為電熱絲用的鎳鉻合金主要用于把電能轉(zhuǎn)換成熱能，而制造白熾燈的鎢絲、鉬絲用于把電能轉(zhuǎn)換成光能；用于信號轉(zhuǎn)換，例如制造熱電偶及各種傳感器；用于和導(dǎo)電無直接相關(guān)的其他目的，如用作磁性材料、導(dǎo)熱材料及結(jié)構(gòu)材料等。55.1導(dǎo)電材料分類按導(dǎo)電機理分類（載流子）電子導(dǎo)電材料、離子導(dǎo)電材料和混合型導(dǎo)體。-典型材料的電導(dǎo)率導(dǎo)電類型材料類型電導(dǎo)率/

-1·m-1離子導(dǎo)電離子晶體10-16~10-2快離子導(dǎo)體10-1~103強（液）電解質(zhì)10-1~103電子導(dǎo)電金屬103~107半導(dǎo)體10-3~104絕緣體＜10-1065.1導(dǎo)電材料分類按化學(xué)成分分類

金屬：銀、銅、鋁。常見的良導(dǎo)體為金屬材料。電導(dǎo)率107~108S/m

合金：黃銅、鎳鉻合金。滿足其他應(yīng)用性能要求。如增加強度、耐腐蝕、耐高溫、降低價格等。電導(dǎo)率105~107S/m

無機非金屬：酸、堿、鹽的溶液、熔體，石墨等。電導(dǎo)率范圍寬。電導(dǎo)率105~108S/m

種類多，應(yīng)用廣。高分子導(dǎo)電材料：共軛高分子聚合物，聚乙炔、聚苯胺等。電導(dǎo)率范圍寬；必須摻雜。Al高電導(dǎo)率材料用于傳輸電流。高電阻率材料將電能轉(zhuǎn)換成其它能量。75.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容85.2導(dǎo)電材料基本性能5.2.1導(dǎo)電特性金屬如何具有導(dǎo)電性？金屬中的金屬鍵（金屬陽離子和自由電子）金屬鍵的鍵能低，原子核對電子束縛小電場作用下自由電子的定向遷移，并碰撞晶格發(fā)熱溫度升高：電子熱運動加劇，難以定向，電阻率升高。溫度降低？？？經(jīng)典電子理論電子在金屬內(nèi)的運動用波動力學(xué)解釋——量子力學(xué)觀點電子沿金屬的晶格傳播，晶格骨架是障礙電子波傳遞能量，晶格振動使金屬發(fā)熱溫度升高：晶格振動

，晶格的規(guī)整性

，電子波的傳播阻礙

，電阻率

溫度降低：晶格振動

，對電子波的阻礙

9比例系數(shù)

v稱為體積電阻率用以表征材料的導(dǎo)電特性電阻率的單位

·m。導(dǎo)體的體積電阻R與導(dǎo)體的長度l成正比，與導(dǎo)體的截面積A成反比體積電阻率——材料導(dǎo)電性的表征參數(shù)電阻（R）是材料形狀、尺寸的函數(shù)。電阻率（

v）是材料的固有性質(zhì)，只與材料的組成結(jié)構(gòu)有關(guān)，與材料的尺寸無關(guān)。電阻率（

v）是微觀水平上阻礙電流流動的度量，微觀結(jié)構(gòu)對電阻率有很大影響。5.2.1導(dǎo)電特性表面電阻率單位？10（a）金屬；（b）半導(dǎo)體微觀結(jié)構(gòu)電阻率隨著溫度升高而升高——導(dǎo)體的特征。影響金屬導(dǎo)電性的因素對于金屬導(dǎo)體，雜質(zhì)元素會引起晶格畸變，造成電子散射，導(dǎo)致電阻率增大。對金屬導(dǎo)體材料的冷變形與熱處理，均會引起引起金屬晶格的變形，導(dǎo)致電阻率增大?？昭?、位錯、晶粒的界面，都會阻礙電子的運動而使電阻率升高。溫度導(dǎo)體中，溫度升高使金屬原子振動加劇，電子難以定向，電阻率增大。半導(dǎo)體帶隙窄，溫度升高使得載流子數(shù)目增加，導(dǎo)電性增加。11合金元素溶質(zhì)原子，溶劑原子導(dǎo)致晶格畸變，引起電子散射電阻率增加ρi取決于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般與溫度無關(guān)；ρT取決于晶格的熱振動。

雜質(zhì)——引起電子散射冷變形——彈性變形，塑性變形

熱處理——退火，減少晶格缺陷

表面狀態(tài)——污染、氧化、水分、腐蝕

在不同電場DC/AC中的導(dǎo)體電阻？12電導(dǎo)率電導(dǎo)率（σ）是電阻率的倒數(shù)，表征電流通過材料的難易程度。定義：單位時間內(nèi)通過單位立方體積的電量。影響電導(dǎo)率的因素：單位體積材料中載流子數(shù)目（n）每個載流子的電荷量（q）載流子的遷移率（μ）離子導(dǎo)電材料的電導(dǎo)依賴于離子的運動，帶電離子的遷移滿足：上述三個因素的乘積就是電導(dǎo)率：σ=nqμ(單位S/m)普適公式

D：擴散系數(shù)k：Boltzmann常數(shù)T：絕對溫度q：電量Z：離子的價位離子體積大、遷移率低。因此離子導(dǎo)電材料的電導(dǎo)率比金屬導(dǎo)體低若干個數(shù)量級；離子晶體基本上都是絕緣體。135.2.2導(dǎo)熱特性1.熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）

導(dǎo)電材料的熱導(dǎo)率是熱能在材料內(nèi)部流動能力的度量

。對于電機、電纜及一些電力設(shè)備的熱性能計算十分重要。例如：電纜芯線的熱導(dǎo)率大，則電纜的溫升低，同樣截面的金屬芯線，熱導(dǎo)率大的載流量也大。k=（q/A）/（

T/

d）單位：W/（m·K）或W·m

1·K

1

非金屬材料的熱導(dǎo)率——聲子金屬材料的熱導(dǎo)率——聲子+自由電子金屬的雜質(zhì)、空穴、缺陷影響熱導(dǎo)率銀：4.1，鋼：0.5，玻璃：0.01，聚乙烯：0.00414產(chǎn)生原因：不同金屬的自由電子濃度不同，接觸時電子向低濃度區(qū)擴散，則因得到和失去電子而形成電位差。兩物體間距小于0.25nm，出現(xiàn)雙電層和接觸電位差。2.接觸電位差和熱電勢接觸電位差：沒有電流的情況下，兩種不同物質(zhì)接觸面兩側(cè)的電位差，即兩種不同的金屬互相接觸時所產(chǎn)生的電位差。VA、VB為金屬A、B的接觸電位；NOA、NOB為金屬A、B的單位體積的自由電子數(shù)；e為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；接觸電位差152.接觸電位差和熱電勢熱電勢與兩種金屬的性質(zhì)及接觸面的溫度有關(guān)；而與接觸面的大小和接觸時間的長短無關(guān)。

0.1~幾伏，因所處的溫度而不同。16抗拉強度和伸長率退火——抗拉強度低，伸長率高未退火——抗拉強度高，伸長率低淬火——改善晶格結(jié)構(gòu)5.2.3力學(xué)性能導(dǎo)電材料除了電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率外，力學(xué)性能也起著十分重要的作用。

例如：架空線，其力學(xué)性能與電學(xué)性能同樣重要。架空線要承受很大的拉力，如果抗拉強度不夠，就會導(dǎo)致掉線事故，造成重大損失，因此有必要對其力學(xué)性能進行評價。導(dǎo)電材料的力學(xué)性能表征與電介質(zhì)材料類似，用應(yīng)力應(yīng)變曲線。拉伸強度和伸長率可以用拉伸試驗曲線來表示。175.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容185.3常用導(dǎo)電材料5.3.1銅及銅合金1.銅

導(dǎo)電性好：Ag>Cu>Au>Al>Mg；導(dǎo)熱性好：Au>Ag>Cu；化學(xué)穩(wěn)定抗腐蝕：潮濕的空氣中其表面可生成Cu2(OH)2CO3，耐海水腐蝕。無磁性，反磁物質(zhì)：電磁屏蔽機械性能較好：純銅抗拉強度是245~315MPa塑性好：延展性好，易加工，易焊接來源可靠，冶煉技術(shù)發(fā)達：天然單質(zhì)銅、銅礦石（黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦、赤銅礦和孔雀石）19

銅的性質(zhì)和影響因素電阻率：0.017241Ω

mm2/m密度：8.9g/cm3

電導(dǎo)率的相對值：IEC規(guī)定在20℃時比重為8.89g/cm3，長1m，截面積為1mm2，電阻為0.017241Ω，電阻溫度系數(shù)為0.00393的退火軟銅，電導(dǎo)率為100%IACS。（標(biāo)準退火純銅）電線電纜的導(dǎo)體選用銅含量高于99.90%的純銅，國際上廣泛采用電導(dǎo)率為102%IACS的無氧銅。IACS——InternationalAnnealedCopperStandard。表征金屬或合金的導(dǎo)電率。

雜質(zhì)對銅的影響

電導(dǎo)率：P、As、Al、Fe等——電導(dǎo)率降低機械性能：能溶解于銅，提高強度——Ag、Cd、Zn、Ni

不溶解于銅，使銅變脆——Bi、Pb、O退火：一般在400℃以上，與銅的成分有關(guān)（580±20℃）。202.銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。銀銅合金——有良好的導(dǎo)電性、流動性和浸潤性、較好的機械性能、耐磨性和抗熔焊性。鎘銅合金——1%的鎘，冷拉后具有較高的抗拉強度，制造大跨度架空導(dǎo)線、高強度絕緣導(dǎo)線、滑接導(dǎo)線。稀土銅合金——加入釔，使晶粒細化、改善工藝性能，提高導(dǎo)電性和機械強度，可與銀銅合金媲美。3.銅和銅合金的應(yīng)用電力輸送

電線電纜、匯流排、變壓器、開關(guān)、接插元件和聯(lián)接器中傳導(dǎo)電流。與鋁相比，具有導(dǎo)電性和尺寸上的優(yōu)點。

21電機制造

廣泛使用高導(dǎo)電和高強度的銅合金。主要用于定子、轉(zhuǎn)子和軸頭等。在大型電機中，繞組要用水或氫氣冷卻，稱為雙水內(nèi)冷或氫氣冷卻電機，這就需要大長度的中空導(dǎo)線。電機內(nèi)部的能量消耗，主要來源于繞組的電阻損耗，因此，增大銅線截面是發(fā)展高效電機的一個關(guān)鍵措施。電真空器件

高頻和超高頻發(fā)射管、波導(dǎo)管、磁控管等，需要高純度無氧銅和彌散強化無氧銅。

通訊電纜

相較于光纖電纜，以銅為導(dǎo)體的同軸電纜具有成本低、易于安裝、技術(shù)標(biāo)準成熟的優(yōu)點，在廣播電視、有線網(wǎng)絡(luò)和局域網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用。22印刷電路銅箔為表面粘貼在支撐塑料板上，用照相的辦法把電路布線圖印制在覆銅板上，浸蝕多余部分留下相互連接的電路。把分立元件的接頭或其它部分的終端焊接在電路上。集成電路用于集成電路的導(dǎo)電層，連接集成電路中的不同元器件。用銅的新型微芯片，可獲得30%的效能增益，電路的線尺寸可以減小到0.12微米，可使在單個芯片上集成的晶體管數(shù)目達到200萬個。半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，為銅的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。235.3.2鋁和鋁合金1.鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素（7.73%），價格便宜。地殼中的元素含量24泰國國王的表鏈;來自黏土的白銀；門捷列夫的獎杯。拿破侖三世的皇冠1884耗電量：電解鋁約為13500度/噸硅鐵為8500度/噸電解銅為240度/噸電解鋁實驗,大幅降低鋁的價格原因：還原電位，Cu(-0.34V)

Al(-1.67V)鋁的電阻高為保證生產(chǎn)效率需要更高電壓電流255.3.2鋁和鋁合金用途：純鋁大量用于電纜——架空輸電線用鋼芯鋁絞線、母線、鋁護套、電容器中的鋁箔電極等。特點：電阻率低，0.029Ω

mm2/m，

比重小，重量輕：2.7g/cm3

導(dǎo)電能力約為銅的2/3，密度為銅的1/3，等質(zhì)量和等長度的鋁線和銅線相比，鋁的導(dǎo)電能力約為銅的二倍，且價低。

耐熱性好

耐腐蝕性好，Al2O3膜保護

抗拉強度低，70~95MPa

不易焊接262.鋁合金

鋁鎂合金：（中強度）主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。質(zhì)堅量輕、散熱性較好、抗壓性較強，其硬度是傳統(tǒng)塑料的數(shù)倍，但重量僅為后者的三分之一。鋁鎂硅合金：（高強度）用作架空線。3.氧化鋁化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣性能優(yōu)良

機械強度高，耐高溫27

性能鐵的電阻率高，約為銅的五倍多。化學(xué)穩(wěn)定性低，易氧化。在頻率較高時集膚效應(yīng)明顯，所以很少用作導(dǎo)電材料。應(yīng)用架空線中的鋼芯鋁絞線，既有高的機械強度，又有足夠的電導(dǎo)率。電工中用的鋼線為低碳鋼（含碳0.l%-0.15%）。農(nóng)村用的布線：廣播線，也有將鍍鋅軟鋼線裸露使用或外面包以絕緣后應(yīng)用，這種線價格較低。

鋁包鋼線與銅包鋼線也可以用于架空通訊與輸電線路。2024/6/55.3.3鐵和鋼28是電力設(shè)備中實現(xiàn)電壓、電流的通、斷控制及負載電流電器（如開關(guān)、繼電器、起動器及儀器儀表等）的關(guān)鍵材料。

又稱電觸頭材料或電接觸材料。有強電觸頭和弱電觸頭兩大類5.3.4電觸頭材料類別材料品種強電用復(fù)合觸頭材料銀-氧化鎘，銀-鎢，銅-鎢，銀-鐵，銀-鎳，銅-石墨，銀-碳化鎢真空開關(guān)觸頭材料銅鉍鈰，銅鉍銀，銅碲硒，鎢-銅鉍鋯，銅鐵鎳鈷鉍弱電用鉑族合金鉑銥，鈀銀，鈀銅，鈀銥金基合金金鎳，金銀，金鋯銀及其合金銀，銀銅鎢及其合金鎢，鎢鉬292024/6/51.電接觸形式

固定接觸：其結(jié)構(gòu)通常是在修理時才需要斷開接觸。接插件：實現(xiàn)可拆電氣連接。可分合接觸：“閉合”、“斷開”狀態(tài)。滑動接觸：指接觸組件間的平移或旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)從靜止接觸件到運動接觸件（或相反）的電能轉(zhuǎn)換，是一種特殊的電接觸形式，空間上只有“閉合導(dǎo)通”一種狀態(tài)。按接觸傳導(dǎo)時有無電弧產(chǎn)生，又可將電接觸分為無弧電接觸、有弧電接觸及滑動電接觸。是一個動態(tài)過程！302024/6/5在開關(guān)電器中，電接觸材料性能決定了開斷能力和接觸可靠性。接觸電阻：兩個導(dǎo)體接觸面的電阻，遠高于其它部位電阻。2.電觸點操作過程中的物理現(xiàn)象集中電阻或收縮電阻：電流通過實際接觸面時，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。ρA、ρB導(dǎo)體電阻；n，接觸點數(shù)；f，臨界彈性值；

F，接觸力。界面電阻(表面膜電阻)：由接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的電阻。從接觸表面狀態(tài)分析，表面污染膜可分為較堅實的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。31機械磨損：機械力沖擊，造成變形、裂開或剝落，影響觸頭的壽命。電弧耐蝕：電弧會使觸頭表面金屬熔融飛濺而散失。決定觸頭的壽命。觸頭的發(fā)熱與熔焊：發(fā)生高熱而形成熔焊。例如：焊接強度大于機械分斷力，那么觸頭就不能斷開，這將造成嚴重事故。

剩余電流：與觸頭材料的滅弧能力有關(guān)。例如：鎢和石墨等在高溫下會發(fā)射電子，剩余電流較大；銅和銀合金的剩余電流較小，故滅弧能力大。

電擊穿：當(dāng)觸頭間的開距小而電場強度較大時，觸頭表面的一些聯(lián)系較弱的顆粒在強場作用下被拉出吸引至對面觸頭，導(dǎo)致觸頭間的電擊穿。材料轉(zhuǎn)移：在直流情況下觸頭動作時，出現(xiàn)觸頭材料從觸頭的一方轉(zhuǎn)移到另一方的現(xiàn)象。如果觸頭分離時陽極上的接點溫度高，陽極面上的熔融金屬粘附在較冷陰極上，陽極失去部分金屬而出現(xiàn)凹坑，而陰極卻凸起一塊，破壞了觸頭表面的平整，影響正常操作。323.開關(guān)電器對觸頭材料的要求良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?？谷酆感?。耐電弧燒蝕性。

大電流分斷時不易發(fā)生電弧重燃。低截流水平低的氣體含量化學(xué)穩(wěn)定性抗環(huán)境介質(zhì)污染電觸點操作過程中的物理現(xiàn)象：接觸電阻、機械磨損、電弧、發(fā)熱與熔焊、剩余電流、電擊穿、材料轉(zhuǎn)移銅鎢系觸頭材料銀鎢系觸頭材料銅鉻系觸頭材料銀鎳、銀墨觸頭材料銀氧化錫觸頭材料常用觸頭材料335.3.5電碳材料電碳材料是以碳和石墨為基體的電工材料。優(yōu)點：導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能好；具有較好的耐蝕性；易加工為各種形態(tài)及不同形狀的電極；價廉、易得。缺點：由于石墨在較低溫度下機械強度較低、易磨損，易氧化。天才少年曹原：在魔角石墨烯中實現(xiàn)超導(dǎo)345.1

導(dǎo)電材料分類5.2

導(dǎo)電材料基本性質(zhì)5.3

常用導(dǎo)電材料5.4

超導(dǎo)材料5.5半導(dǎo)電材料主要內(nèi)容355.4超導(dǎo)材料1911年4月8日，荷蘭萊頓大學(xué)的HeikeKamerlinghOnnes打算在當(dāng)時新制備出來的液氦（-268.98℃，4.2K）中研究固態(tài)汞的低溫電阻特性時發(fā)現(xiàn)，在溫度降低到4.2K時，汞的電阻突然消失。在同一個實驗中，他還觀察到了液氦在2.2K時出現(xiàn)了超流動性。19131913年，鉛，7K1941年，氮化鈮，16K1933年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的抗磁性在電阻為零的同時，磁感應(yīng)強度也為零。36超導(dǎo)電性：物質(zhì)在低溫條件下呈現(xiàn)電阻為零和排斥磁力線的性質(zhì)，稱為超導(dǎo)電性。具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。5.4.1超導(dǎo)基本概念超導(dǎo)體在電阻消失前的狀態(tài)稱為常導(dǎo)狀態(tài)。超導(dǎo)體在電阻消失后的狀態(tài)稱為超導(dǎo)狀態(tài)。零電阻5.4超導(dǎo)材料超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象與常導(dǎo)體的零電阻在實質(zhì)上截然不同。常導(dǎo)體：在理想的金屬晶體中，由于電子運動暢通無阻因此沒有電阻；超導(dǎo)體：臨界溫度以下電阻突然變?yōu)榱?，超?dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度為零。當(dāng)溫度下降到某一特定溫度時，超導(dǎo)體電阻突然下降到零的現(xiàn)象。375.4.1超導(dǎo)基本概念完全抗磁性邁斯納效應(yīng)(Meissner和Ochsenfeld，1933)將超導(dǎo)體在磁場中冷卻，在達到臨界溫度以下時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去。將超導(dǎo)體冷卻至臨界溫度以下，再通以磁場，這時磁通線也被排斥出去。在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度為零（B≡0），表現(xiàn)出完全排斥磁力線的現(xiàn)象。這就是邁斯納效應(yīng)（Meissner效應(yīng)）。產(chǎn)生邁斯納效應(yīng)的原因當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(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，因而總和顯示磁場為零。零電阻和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體的兩大基本屬性！38超導(dǎo)體的完全抗磁性39臨界溫度Tc超導(dǎo)體從常導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度稱為臨界溫度，以Tc表示。超導(dǎo)體的臨界參數(shù)超導(dǎo)體有三個基本的臨界參數(shù)：臨界溫度Tc臨界磁場Hc臨界電流Ic必須同時滿足！由于材料的不純，零電阻轉(zhuǎn)變前后，跨越了一個溫度區(qū)域。從而引入了四個區(qū)域溫度參數(shù)：起始轉(zhuǎn)變溫度Tc(onset)：材料開始偏離常導(dǎo)狀態(tài)時的溫度。零電阻溫度Tc(n=0)：材料電阻R=0時的溫度。轉(zhuǎn)變溫度寬度ΔTc：起始轉(zhuǎn)變時材料電阻值Rn的10~90%對應(yīng)的溫度區(qū)域?qū)挾取Ｖ虚g臨界溫度Tc(mid)：Rn的1/2對應(yīng)的溫度值。40臨界磁場Hc使超導(dǎo)狀態(tài)的物質(zhì)由超導(dǎo)狀態(tài)變?yōu)槌?dǎo)狀態(tài)時所需的最小磁場強度，稱為臨界磁場，以Hc表示。Hc是溫度的函數(shù)，可以近似表示為：

Hc0：絕對零度時的臨界磁場臨界電流Ic破壞超導(dǎo)電性所需的最小極限電流就是臨界電流，以Ic表示。Ic是溫度的函數(shù)，可以近似表示為：

Ic0：絕對零度時的臨界電流超導(dǎo)體的臨界參數(shù)三個臨界參數(shù)Tc，Hc，Ic

的關(guān)系超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)，必須置于三個臨界值之下，任何一個條件遭到破壞，超導(dǎo)狀態(tài)隨即消失。Tc和Hc是材料的本征參數(shù)，只與材料的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)。Ic與Hc有關(guān)。41唯象模型——二流體模型超導(dǎo)態(tài)時，傳導(dǎo)電子分為：超導(dǎo)電子和常導(dǎo)電子。兩種電子占據(jù)同一體積，在空間上互相滲透又彼此獨立地運動。常導(dǎo)電子的導(dǎo)電與常規(guī)導(dǎo)體一樣，受晶格的散射而產(chǎn)生電阻，且運動雜亂對熱力學(xué)熵有貢獻。超導(dǎo)電子處于某種凝聚狀態(tài)，即它們凝聚在某個最低能量狀態(tài)，其特點是電子不受晶格散射，且對熵?zé)o貢獻，它在晶格中無阻地流動，電阻為零。這兩種電子的相對數(shù)目與溫度有關(guān)：5.4.2超導(dǎo)電性的物理機理

（1）T＝0時，所有自由電子都凝聚在這個態(tài)中成為超導(dǎo)電子；

（2）0<T<Tc時，部分傳導(dǎo)電子從凝聚態(tài)中激發(fā)出來，成為常導(dǎo)電子，T越高激發(fā)出的電子也越多；

（3）T>Tc時，全部自由電子從凝聚態(tài)中激發(fā)出來，成為常導(dǎo)電子，進入無序化的常導(dǎo)態(tài)。42超導(dǎo)的微觀理論——BCS理論5.4.2超導(dǎo)電性的物理機理1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。1950年，H.Frilich和J.Bardeen推斷電子和聲子相互作用，能夠?qū)蓚€電子耦合在一起。1956年，Cooper發(fā)現(xiàn)了0K時金屬中單個電子對的形成。1957年，Bardeen

(巴丁)、Cooper

(庫珀)和Schrieffer

(施里弗)將Cooper的方法推廣到描述大量界面電子的行為，證明了電聲作用形成“庫伯電子對”——提出BCS理論。

（1）電子在晶格中移動時會吸引鄰近格點上的正電荷，導(dǎo)致晶格的局部畸變，形成局域高正電荷區(qū)。

（2）高正電荷區(qū)吸引自旋相反的電子，和原來的電子相結(jié)合形成電子對。

（3）在很低溫度下，該結(jié)合能低于兩個單獨電子的能量，電子對不會和晶格發(fā)生能量交換，沒有電阻，形成“超導(dǎo)”。1972BCS理論無法解釋高溫超導(dǎo)的現(xiàn)象。435.4.3超導(dǎo)體的分類按磁化特性第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體。第一類超導(dǎo)體：只有一個臨界磁場Hc，具有邁斯納效應(yīng)。除鈮（Nb）、釩（V）、锝（Tc）外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體。第二類超導(dǎo)體：有兩個臨界磁場Hc1和Hc2。H<Hc1時，B=0，排斥外磁場，同第一類。Hc1<H<Hc2時，0<B<μH，磁場部分穿透。H>Hc2時，B=μH，磁場完全穿透。存在混合態(tài)。大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體。445.4.3超導(dǎo)體的分類按成分元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體、有機和高分子超導(dǎo)體三類。元素超導(dǎo)體：除貴金屬、部分堿金屬、鐵磁金屬和鎂外，幾乎全部金屬元素都具有超導(dǎo)性。P161，表5-11列出了一些超導(dǎo)金屬的臨界溫度。鉛臨界溫度最高，7.196K;銠的臨界溫度最低，0.000325K。455.4.4超導(dǎo)體的分類合金和化合物超導(dǎo)體：合金和化合物超導(dǎo)體包括二元、三元和多元的合金及化合物。如氮化鈮(NiN)，鈮鈦鋯三元合金（NiTiZr），典型123型超導(dǎo)體YBa2Cu3O7-x等。組成可以是全為超導(dǎo)元素，也可以部分為超導(dǎo)元素，部分為非超導(dǎo)元素。提高了元素超導(dǎo)體的臨界溫度限定。J.G.Bendorz和K.A.Muller因為發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)陶瓷（Tc=35K）La2-xBaxCuO4而獲得諾貝爾獎。為高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。TiBa2Ca3Cu4O11，Tc>100K!（表5-12）46氧化物超導(dǎo)體早在1964年人們就發(fā)現(xiàn)在一些金屬氧化物材料中也存在超導(dǎo)現(xiàn)象。但在1986年前，超導(dǎo)體還被局限在液氦溫區(qū)。1986年發(fā)現(xiàn)了一系列陶瓷材料，臨界溫度超過了77K，將超導(dǎo)帶入了液氮溫區(qū)。合金和化合物超導(dǎo)體：47

1987年2月我國科學(xué)家趙忠賢等人獲得臨界溫度在93K的YBaCu系超導(dǎo)體，化學(xué)計量式為YBa2Cu3O7，即所謂的123材料，通常材料都有氧空位，因此寫成YBa2Cu3O7-x。從結(jié)構(gòu)上看，具有以下特征：（1）鈣鈦礦式的層狀結(jié)構(gòu)；（2）同時存在Cu2+和Cu3+；（3）存在氧空位。48這些新材料的性質(zhì)已不完全能用BCS理論解釋。各國學(xué)者開展理論和實驗研究工作。提出了共振價鍵理論、雙極化子機制、激子機制、等離子體機制、雜質(zhì)躍遷機制等。合金和化合物超導(dǎo)體：49有機超導(dǎo)體主要有摻堿金屬的C60，其中K3C60的Tc為18K，Cs-Rb-C60的Tc為33K。高分子超導(dǎo)體主要是非碳高分子(SN)x，Tc為0.26K。有機和高分子超導(dǎo)體：5.4.3超導(dǎo)體的分類50各種超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)的時間515.4.3超導(dǎo)體的分類按應(yīng)用條件低溫超導(dǎo)體和高溫超導(dǎo)體。低溫超導(dǎo)體：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較低，大約在30K以下。元素超導(dǎo)體：所有的元素超導(dǎo)體都屬于低溫超導(dǎo)體。合金超導(dǎo)體：Ni-Ti系合金實用線材的使用最為廣泛，它與銅很容易復(fù)合。技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、成本低，是目前實用線材中的主導(dǎo)。具有很高臨界電流（Ic）的三元超導(dǎo)合金材料，如Nb-40Zr-10Ti，Nb-Ti-Ta等。是制造磁流體發(fā)電機大型磁體的理想材料?；衔锍瑢?dǎo)體：超導(dǎo)臨界參量均較高，是性能良好的強磁場超導(dǎo)材料。質(zhì)脆、不易直接加工成線材或帶材，需要采用特殊的加工方法。合金及化合物超導(dǎo)體多達幾千種，真正能夠?qū)嶋H應(yīng)用的并不多。525.4.3超導(dǎo)體的分類高溫超導(dǎo)體：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度較高，超過了77K，可在液氮的溫度下工作。氧化物超導(dǎo)體：

高溫超導(dǎo)體大多為氧化物陶瓷。有釔系氧化物YBa2Cu3O7-x（YBCO）超導(dǎo)體，鉍系氧化物Bi2Sr2Ca2Cu3Ox（BSCCO）超導(dǎo)體和鉈系氧化物TlBaCaCuO超導(dǎo)體。具有層狀的類鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)組元，導(dǎo)電層是銅氧層骨架，決定了氧化物超導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)上和物理特性上的二維特點。超導(dǎo)主要發(fā)生在導(dǎo)電層上。晶格參數(shù)變化伴隨載流子濃度的變化，臨界溫度對載流子濃度有強依賴關(guān)系。非氧化物超導(dǎo)體：主要是C60化合物C60特殊的球形結(jié)構(gòu)和大尺寸使其具有獨特的摻雜性質(zhì)。當(dāng)構(gòu)成固體時，球外殼之間較大的空隙提供了豐富的結(jié)構(gòu)因素。C60及其衍生物具有巨大的應(yīng)用前景。非晶超導(dǎo)體：主要包括非晶態(tài)簡單金屬及其合金和非晶態(tài)過渡金屬及其合金

具有高度均勻性、高強度、高耐磨、高耐蝕等有點。超導(dǎo)電性主要是由于電子和聲子之間的相互作用而引起的。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長程無序性對其超導(dǎo)性的影響很大，使有些物質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度提高。大多數(shù)非晶態(tài)超導(dǎo)體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比相應(yīng)的晶態(tài)超導(dǎo)體高約5K。535.4.3超導(dǎo)體的分類復(fù)合超導(dǎo)體：由許多超導(dǎo)線（或帶）與良導(dǎo)體復(fù)合而來。

優(yōu)點：可承載更大的電流，減少退化效應(yīng)，增加超導(dǎo)的穩(wěn)定性，提高機械強度和超導(dǎo)性能。復(fù)合超導(dǎo)體大致有：超導(dǎo)電纜、復(fù)合線、復(fù)合帶、超導(dǎo)細絲復(fù)合線、編織線和內(nèi)冷復(fù)合超導(dǎo)體六種。重費米子超導(dǎo)體：低溫電子比熱系數(shù)非常大，是普通金屬的幾百甚至幾千倍。

目前發(fā)現(xiàn)的重費米子超導(dǎo)體臨界溫度都較低，無實用價值。在理論上存在兩種不同的基態(tài)，反鐵磁態(tài)和超導(dǎo)電態(tài)。重費米子體系具有非常規(guī)的超導(dǎo)機制。有機超導(dǎo)材料：都屬于第二類超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度。優(yōu)點：質(zhì)量輕、容易進行分子水平上的剪裁與設(shè)計54超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強電強磁和弱電弱磁兩大類。1.超導(dǎo)強電強磁應(yīng)用原理：基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場。應(yīng)用：超導(dǎo)電纜，超導(dǎo)限流器，超導(dǎo)磁體如超導(dǎo)磁懸浮列車，巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。5.4.4超導(dǎo)的應(yīng)用55大型城市電力系