光电：第7章 超导材料

第7章超导材料主要内容零电阻现象2完全抗磁性－迈斯纳效应3产生超导电性的原因－BCS理论4超导临界条件5第一类和第二类超导体6超导材料的发展历史1超导材料的应用77.1

超导材料的发展历史某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导临界温度Tc。超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10-26

Ω·cm，可以认为电阻为零。0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-135oC=138KCurrentHighTemperatureSuperconductors77KNitrogenliquifies4KHeliumliquifies7.1

超导材料的发展历史7.1

超导材料的发展历史1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯(K.H.Onnes)意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。后来他又发现许多金属(例如铝、锡)和合金都具有与水银相类似的特性：在低温下电阻为零，由于它的特殊导电性能，昂尼斯称之为超导态。水银的电阻随温度改变7.1

超导材料的发展历史1911-1932：以研究元素超导体为主，除Hg外，又发现了Pd、Sn、In、Ta、Nb、Ti等众多的元素超导体。现在已知，在元素周期表中有50多种元素具有超导电性。1932-1953：发现了许多具有超导电性的合金以及过渡金属碳化物和氮化物，临界转变温度（Tc）得到了进一步的提高。随后，在1953～1973年间，发现了一系列金属间化合物（如Nb3Sn，V3Ga，Nb3Ge）超导体，使Tc值上升到23.2K。1986年，IBM研究实验室的物理学家柏诺兹和缪勒发现了临界温度为35K的镧钡铜氧超导体。这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现。柏诺兹和缪勒也因此荣获1987年度诺贝尔物理学奖。自那以后，铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点，但其超导机制至今仍未解决。科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够从不同的角度去研究高温超导机制。7.1

超导材料的发展历史超导材料的发展及其临界温度7.1

超导材料的发展历史在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图元素周期表中青色方框所示）,而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期表中绿色方框所示）

超导研究获诺贝尔物理学奖情况1913年：Leiden大学教授K.H.Onnes(荷兰)因液化氦的成功和对物质在低温下性质的研究做出贡献，获得了诺贝尔物理学奖；1972年：J.Bardeen(美)、L.V.Cooper(美)、J.R.Schrieffer(美)因提出超导电性的BCS理论而获得诺贝尔物理学奖；

1973年：B.D.Josephson关于固体中隧道现象的发现,从理论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应)；1987年：J.G.贝德诺尔兹(美)和K.A.穆勒(美)报道了一种在35K呈现超导电性的化合物——La-Ba-Cu-O高温超导材料，在文章发表后不到一年时间便获得了诺贝尔物理学奖，这也是自诺贝尔奖授奖以来，发表成果到获奖最快的一次。7.2零电阻现象常规导体电阻的成因：

常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成的晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子，晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。常规导体电阻的负面作用：电力传输中电阻发热，浪费资源，增加用电成本；超导零电阻现象的发现7.2

零电阻现象1911年荷兰的卡麦林·昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导线（-40℃），并将温度降低到－269℃左右时，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。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流、磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度为超导临界温度，用Tc表示。迈斯纳效应的发现：

1933年德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）发现：置于磁场中的导体，通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线被完全排斥到超导体之外，超导体内磁感应强度H变为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳效应。7.3迈斯纳效应在低于Tc的任一温度下，当外加磁场强度H小于某一临界值Hc时，超导态可以保持；当H大于Hc时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。该临界值Hc称为临界磁场强度。超导材料的性能由临界温度Tc和临界磁场强度Hc两个参数决定，高于临界值是一般导体，低于此数值时成为超导体。完全抗磁性的原因10.2.迈斯纳效应常规导体NorthSouth超导体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的磁场和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。7.3迈斯纳效应

迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳发现，超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外.NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态

在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的超导转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。观察迈纳斯效应的磁悬浮试验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。7.3迈斯纳效应7.4

超导隧道效应量子隧道效应：

电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。例如：在两块常规导体Al中间夹入一层很薄的势垒（10-10m的绝缘层），在两块Al之间加上电势差，就有电流流过绝缘层，该电流是有电阻的，这是正常导体的量子隧道效应。约瑟夫森预言

1962年，剑桥大学的博士后在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体断面处，电流可以穿过绝缘层。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。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。7.4

超导隧道效应7.5

产生超导电性的原因当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：BCS理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。7.5

产生超导电性的原因声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形成电子对。两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动或杂质的阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通路不受影响，从而产生超导现象。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。

7.5

产生超导电性的原因BCSTheory(1957)解释了超导电性现象的本质Bardeen,Cooper,Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖7.5

产生超导电性的原因7.6

超导体的临界条件温度T<临界温度Tc磁场强度H<临界磁场强度Hc

在温度低于Tc，外加磁场强度H>Hc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。电流密度J<临界电流密度Jc同时,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Hc。电流强度I－单位时间通过某截面电荷的量；电流密度J－单位面积上通过的电流强度；注意区分：7.6

超导体的临界条件超导临界参数之间的关系三个性能指标，相互制约；一般来说，指标越高越好。Jc7.6

超导体的临界条件超导临界温度Tc超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突然变为零时的温度。由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导材料的临界温度用四个参数表征。7.6

超导体的临界条件实际超导材料的临界温度参数超导材料的临界温度起始转变温度Tc(onset)零电阻温度Tc(R=0)转变温度宽度ΔTc中间临界温度Tc(mid)7.6

超导体的临界条件超导临界磁场强度Hc对于超导体，当外加磁场足够强时，会破坏其超导性；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。7.6

超导体的临界条件超导临界磁场强度Hc临界磁场强度为温度的函数，表达式为：Hc0为绝对零度时的临界磁场；THcHc0Tc07.6

超导体的临界条件超导临界电流密度Jc破坏超导态所需的最小电流密度;

J=I/A,单位A/m2超导临界电流与临界温度的关系：7.7

第I类和第II类超导体第I类超导体只有一个临界磁场Hc；当H<Hc时，超导态；当H>Hc时，正常态。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“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。第II类超导体有两个临界磁场当H<Hc1时，零电阻且完全禁止磁场线进入,迈斯纳态。当

Hc1<

H<Hc2时，混合态。零电阻，磁场线部分穿过。当H>Hc2时，正常态。钒、铌、钽和大多数超导合金及超导化合物。第II类超导体比第I类超导体有更高的临界参数。7.7

第I类和第II类超导体7.8金属超导材料的类型金属元素超导体：合金超导体：金属化合物超导体：除钒、铌、钽大多数金属元素都是第I类超导体；钒、铌、钽为第II类超导体。绝大多数为第II类超导体；绝大多数为第II类超导体；7.8

金属超导材料的类型金属元素超导体

常压下有28种超导金属元素，超导临界温度Tc排行为：铌——9.24K；锝——7.8K铅——7.197K

镧——6.06K

钒——5.4K

钽——4.47K

常压下不表现超导性的金属元素，高压下可能呈现超导性。7.8

金属超导材料的类型合金超导体－成本低、便于大量生产

Ni-Ti合金

目前使用最广泛的合金超导材料；制造技术成熟，性能稳定，成本低；用于磁流体发电机大型磁体的理想材料；

Ni-Zr合金

最早使用的合金超导材料；具有低磁场，高电流的优点；高磁场下能够承受很大的临界电流；制造成本较高，逐渐被Ni－Ti合金取代。两类常见的超导合金为：7.8

金属超导材料的类型金属化合物超导体三个临界参量(Tc,Hc,Jc)均较高，是性能良好的强磁场材料。具有代表性的为Nb3Sn超导化合物，是制造8.0~15.0T超导磁体的主要材料。7.9

超导材料的应用零电阻效应完全抗磁性超导隧道效应7.9

超导材料的应用超导电力传输(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，保证整条输电线路在超导状态下运行。超导电力传输的优点：超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍,电能消耗仅为所输送电能的万分之几。传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超导线就不需要升压降压设备。重量轻、体积小，输送大功率的超导传输线可铺设在地下管道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔。

从内到外，依次为：

管状支撑物（内通液氮）；

超导导体层（为电缆载流导体）；

电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）；

超导屏蔽层（为超导带材绕制）；

液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）；

热绝缘层（为真空隔热套件）；

常规电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。7.9

超导材料的应用2004年4月19日在昆明普吉变电站投入运行，7月10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。7.9

超导材料的应用7.9

超导材料的应用超导发电机（强磁场的应用）在超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。超导发电机的优点：磁场强度大：磁场强度达20万高斯，常规磁体最高10万高斯。耗电少：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。重量轻：5万高斯的常规电磁体重达20吨，而用超导磁体重量还不到1千克。7.9

超导材料的应用超导储能（零电阻效应的应用）用电需求在时间上是不平衡的，白天晚上不一样。最佳的解决办法就是有一种储存和调节手段。然而，电力的储藏非常困难。充电：合上开关S1，打开S2和S3时，超导线圈Ls充电；储能：合上S2，打开S1，在电路2中就有一个持续电流；放电：合上S3，打开S2，储存的电能就传输到外部负载。7.9

超导材料的应用超导储能基本原理示意图RS1S2S3负载电源Ls超导温度7.9

超导材料的应用

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“无轮”列车。

超导磁悬浮列车

两种磁悬浮列车系统(a)常导磁吸型；(b)超导磁斥型

日本开发的磁悬浮列车MAGLEV于1997年12月在山梨县的试验线上创造出每小时550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，悬浮气隙较小，一般为10mm上海磁悬浮列车时速430公里,从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需6分钟。

7.9

超导材料的应用7.9

超导材料的应用

核聚变反应时，内部温度高达100~200M℃，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，使受控核聚变能源成为入类取之不尽的新能源。

受控热核聚变－人造太阳我国研制的“托卡马克”装置（等离子体温度高达5000万度），能够提供清洁无限的能源。7.9

超导材料的应用7.9

超导材料的应用超导量子干涉仪（SQUID)——约瑟夫森效应作为灵敏度极高的磁传感器,超导量子干涉仪(即SQUID)在生物磁测量,大