低温超导材料的发展和应用

1、低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用1低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用2低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用3超导材料：指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。低温超导材料（low temperature superconducting material） 具有低临界转变温度（Tc30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。化合物低温超导材料有NbN (Tc=16K)、Nb3Sn

2、 ( Tc=18.1K) 和 V3Ga（Tc=16.8K）。NbN多以薄膜形式使用 ，由于其稳定性好 ，已制成实用的弱电元器件 合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的相固溶体，Tc 在 9K 以上。 具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )，Tc 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用4低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用5温度T临界温度Tc磁场强度HHc的磁场作用于超导体的磁场作用于超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破坏而转入正常态。时，磁力

3、线将穿入超导体，超导态被破坏而转入正常态。电流密度J临界电流密度Jc 同时同时,电流密度产生的磁场与外加磁场的矢量和应小于临电流密度产生的磁场与外加磁场的矢量和应小于临界磁场强度界磁场强度Hc。电流强度电流强度I单位时间通过某截面电荷的量；单位时间通过某截面电荷的量；电流密度电流密度J单位面积上通过的电流强度单位面积上通过的电流强度；注意区分注意区分：超导体的临界条件低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用6超导临界参数之间的关系三个性能指标，相互三个性能指标，相互制约制约；一般来说，指标越高越好。一般来说，指标越高越好。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用7超导临界温度T

4、c超导体从常导态转超导体从常导态转变为超导态的温度变为超导态的温度；即电阻突然变为；即电阻突然变为零时的温度。零时的温度。由于组织结构不同由于组织结构不同，超导临界温度不，超导临界温度不是一个特定的数值是一个特定的数值，而是跨越一个温，而是跨越一个温度区域；因此实际度区域；因此实际超导材料的临界温超导材料的临界温度用四个参数表征度用四个参数表征。超导材料的临界温度超导材料的临界温度起始转变温度起始转变温度Tc(onset)零电阻温度零电阻温度Tc(R=0)转变温度宽度转变温度宽度Tc中间临界温度中间临界温度Tc(mid)低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用8超导临界磁场强度Hcn对

5、于超导体，当外加磁场足够强时，会破坏其超导性；对于超导体，当外加磁场足够强时，会破坏其超导性；n破坏超导态所需的最小的磁场强度称为破坏超导态所需的最小的磁场强度称为超导临界磁场强度超导临界磁场强度。临界磁场强度为温度的函数，表达式为：)( 1220ccccTTTTHHHc0为绝对零度时的临界磁场；THcHc0Tc0低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用超导临界电流Jc破坏超导态所需的最小电流密度破坏超导态所需的最小电流密度; J=I/A,单位单位A/m2超导临界电流与临界温度的关系：超导临界电流与临界温度的关系：220/1cccTTJJ低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用

6、第I类超导体只有一个临界磁场Hc； 当HHc时，正常态。 常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等; ; 熔点较低、质地较软，亦被称作熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体软超导体”； 临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用第II类超导体有两个临界磁场 当当HHc1时，时，零电阻且零电阻且完全禁止完全禁止磁场线进入磁场线进入迈斯纳态迈斯纳态。 当当 Hc1 HHc2时，正常态。时，正常态。 钒、铌、钽和大多数超导合金及钒、铌、钽和大多数超导合金

7、及超导化合物。超导化合物。第第II类超导体比第类超导体比第I类超导体有更高类超导体有更高的临界参数。的临界参数。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用金属元素超导体：合金超导体：金属化合物超导体：除钒、铌、钽大多数金属元素除钒、铌、钽大多数金属元素都是第都是第I类超导体；类超导体；钒、铌、钽为第钒、铌、钽为第II类超导体。类超导体。绝大多数为第绝大多数为第II类超导体；类超导体；绝大多数为第绝大多数为第II类超导体；类超导体；低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用13低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用低温超导材料

8、的发展和应用14超导零电阻现象的发现1911年荷兰的年荷兰的卡茂林卡茂林昂尼斯昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导教授用液氦将水银冷凝成固态导线（线（-40），并将温度降低到），并将温度降低到269左右时，左右时，水银导线的水银导线的电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用15迈斯纳效应的发现： 1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态下，超导体内部的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳效应。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用16常规导体NorthSouth超

9、导体NorthSouth 外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生的磁场和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。的磁场和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。完全抗磁性的原因完全抗磁性的原因低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用17零电阻现象是超导现象的必要条件,但是电阻为零叫理想导体超导体。 零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个最基本，而且互相独立的属性。 只有同时具有零电阻和完全抗磁性才能称为超导体。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用18p早在早在1924年，基佐姆首先建议把热力学用于讨论超导态和正常态年，基

10、佐姆首先建议把热力学用于讨论超导态和正常态之间的相变问题，并与克卢修斯、恩德等人测量了液氦、锡和锌之间的相变问题，并与克卢修斯、恩德等人测量了液氦、锡和锌等元素的比热，发现其在低温下存在跃变，证明了等元素的比热，发现其在低温下存在跃变，证明了“这变化与超这变化与超导向非超导的转变恰好重合，阻碍超导电性产生的磁场，也阻碍导向非超导的转变恰好重合，阻碍超导电性产生的磁场，也阻碍比热变化。向超导的转变与转变热无关。比热变化。向超导的转变与转变热无关。p1933年，厄任费斯托首次提出热力学中二级相变的概念。拉特格年，厄任费斯托首次提出热力学中二级相变的概念。拉特格斯将该理论应用于超导体，得出了在超导转

11、变点比热的跃变同临斯将该理论应用于超导体，得出了在超导转变点比热的跃变同临界场对温度的导数间的关系界场对温度的导数间的关系拉特格斯公式。拉特格斯公式。p1934年，基佐姆等验证了实验数据与拉特格斯公式的理论值，发年，基佐姆等验证了实验数据与拉特格斯公式的理论值，发现比热跃变非常吻合，进一步暗示了热力学在超导体研究中的应现比热跃变非常吻合，进一步暗示了热力学在超导体研究中的应用可行性。用可行性。p1934年，戈特和卡米希尔提出了超导相的二流体唯象模型。年，戈特和卡米希尔提出了超导相的二流体唯象模型。基佐姆实验基佐姆实验低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用19p麦克斯韦、雷诺和席林等于

12、麦克斯韦、雷诺和席林等于1950年各自独立测量了汞同位素年各自独立测量了汞同位素的临界温度，结果发现超导体的临界温度和同位素的质量有的临界温度，结果发现超导体的临界温度和同位素的质量有关：关：p 其中其中M是同位素质量，是同位素质量，a=0.500.03.p实验表明，电子向超导电子转变的过程不受晶格振动影响，实验表明，电子向超导电子转变的过程不受晶格振动影响，从实验上启发了人们电子从实验上启发了人们电子-声子相互作用可能是超导电性的根声子相互作用可能是超导电性的根源。同位素效应支持了弗列里希基于电子源。同位素效应支持了弗列里希基于电子-声子相互作用的超声子相互作用的超导电性理论，为解决超导电性

13、的微观图像提供了有益的线索导电性理论，为解决超导电性的微观图像提供了有益的线索。同位素效应的发现同位素效应的发现acM T 常数低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用20约瑟夫森预言 1962年，剑桥大学博士后p在极薄绝缘层（厚度约为在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体断面处，电流可以穿）隔开的两个超导体断面处，电流可以穿过绝缘层。过绝缘层。p只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，该电只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。流是没有电阻的，称为超导隧道电流。p超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿

14、越势垒后仍保持为配对形超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约瑟夫森效应。式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约瑟夫森效应。超导隧道超导隧道效应效应低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用21BCS Theory (1957)解释了超导电性现象的本质解释了超导电性现象的本质Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了分享了1972年年Nobel物理学奖物理学奖低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用22在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排

15、斥从而导致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对” BCS理论：lBCS理论不能解释理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。以上的超导现象，特别是高温超导。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用23当温度TTc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导态转变为正常态。温度对超导电性的影响：温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，超导电性越显著。温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。 低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用240 K: All motion ceases100oC = 373 K0oC = 273 K-135oC

16、 = 138 KCurrent High Temperature Superconductors77 KNitrogen liquifies4 KHelium liquifies低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用251911年，年，Hg，Tc4.2K1911-20年代，年代，24种纯金属，种纯金属，(Nb，Tc9.13K)1952, 硅化钒，硅化钒，Tc=17K1957年，年，BCS理论理论1960，第，第II类超导体铌锡合类超导体铌锡合金金1973年，年，Nb3Ge，Tc23.2K1987年，年，Y-Ba-Cu-O，Tc90K，超过液氮温度，超过液氮温度77K1993年，年，H

17、g-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高压下（高压下164K)超导材料的发展及其临界温度超导材料的发展及其临界温度低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用26低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用27零电阻效应完全抗磁性超导隧道效应低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用28超导电力传输(零电阻的应用）超导输电电缆： 将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输电线路 在超导状态下运行。在超导状态下运行。超导电力传输的优点：n超导输电电缆比普通

18、的地下电缆超导输电电缆比普通的地下电缆容量大容量大25倍倍,电能消耗仅为所电能消耗仅为所输送电能的万分之几。输送电能的万分之几。n传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就不需不需要升压降压设备要升压降压设备。n重量轻、体积小，输重量轻、体积小，输 送大功率的超导传输线送大功率的超导传输线可铺设在地下可铺设在地下管管道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。 低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用292004年年4月月19日在昆明普吉变电站投入运行，日在昆明普吉变电站投入运行，7月月10日正式

19、并网，是我国日正式并网，是我国第一组、世界上第三组并网试运行的超导电缆。第一组、世界上第三组并网试运行的超导电缆。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用30超导发电机（强磁场的应用）超导发电机的优点：磁场强度大磁场强度大：磁场强度达：磁场强度达20万高斯，常规磁体最高万高斯，常规磁体最高10万高斯。万高斯。耗电少耗电少：不产生热量，除维持低温外不消耗电能，通入一次电：不产生热量，除维持低温外不消耗电能，通入一次电 流就可以一劳永逸。流就可以一劳永逸。重量轻重量轻：5万高斯的常规电磁体重达万高斯的常规电磁体重达20吨，而用超导磁体重量吨，而用超导磁体重量 还不到还不到1千克。千克。在超

20、导体截面较小的线圈通以大电流，形成强磁场，这就是超导磁体。低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用31充电：合上开关合上开关S1，打开，打开S2和和S3时，超导线圈时，超导线圈Ls充电；充电；储能：合上合上S2，打开，打开S1，在电路，在电路2中就有一个持续电流；中就有一个持续电流；放电：合上合上S3，打开，打开S2，储存的电能就传输到外部负载，储存的电能就传输到外部负载。超导储能基本原理示意图RS1S2S3负负载载电源电源Ls超导温度超导温度低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用32 超导磁悬浮列车是运用超导体的完全抗磁性，使列车完全脱超导磁悬浮列车是运用超导体的完全抗磁性，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为离轨道而悬浮行驶，成为“无轮无轮”列车。列车。 超导磁悬浮列车(a)常导磁吸型；常导磁吸型； (b)超导磁斥型超导磁斥型 低温超导材料的发展和应用低温超导材料的发展和应用33日本开发的磁悬浮列车日本开发的磁悬浮列车MAGLEV 于于1997年年12月在山梨县的试验线上创造月在山梨县的试验线上创造出每小时出每小时550公里的世界最高纪录。公里的世界最高纪录。 日本超导磁斥型，悬浮气隙较大，一般为100mm上海常导磁吸型