专题二 超导材料

1,专题二超导技术超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。,2,自从世界上以电力作为主要动力以来，就遇到两个令人头痛的问题：、是在输送电流时，不少电力因导线有电阻而发热，白白损失了相当的能量。、白天的电力常常严重不足，而深夜的电力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。,3,能不能把夜间富余的电力储存起来用以弥补白天电力不足的难题呢?自从有了超导材料以来，解决这个问题就大有希望了。,4,一、超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。,5,当时，荷兰物理学家昂内斯为检验金属电阻与温度之间的关系的理论公式的正确性，就用水银作试验。将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到4K时，水银的电阻突然变成了零。,6,开始他不太相信这一结果、于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料称超导材料，而把出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。,7,昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。,8,为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英、美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗合金。此后这一记录又保持了10多年。,9,到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的贝德诺茨和缪勒从别人多次失败中总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，终于发现一种钇钡铜氧陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。,10,此后，美籍华人学者朱经武，中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋锶钙铜氧系高温超导合金，在110K的温度就有超导现象。,11,而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。,12,199l年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子-60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。科学家预料，球状碳分子-60掺杂金属后，有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。,13,1995年美国国立洛斯阿拉莫斯实验室的科学家已经把高温超导体制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。,14,1996年，日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。,15,超导材料在液氮以上温度工作，可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。,16,二、超导体的三个临界参数1911年，荷兰物理学家昂内斯(OnnesHK)在成功地将氦气液化、获得4.2K的超低温后，开始研究超低温条件下金属电阻的变化，结果发现：当温度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！这就是超导现象，此时的温度称为超导临界温度Tc。,17,零电阻是超导体最基本的特性，它意味着电流可以在超导体内无损耗地流动，使电力的无损耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的载流密度，可用以形成强磁场或超强磁场。,18,发现超导电性后，昂内斯即着手用超导体来绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后，超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流Ic。此后，又发现了超导体的临界磁场Hc。Ic和Hc也是超导体的基本特性，是实现超导体强电应用的必要条件。,19,临界温度（Tc）、临界电流（Ic）和临界磁场（Hc）是“约束”超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于三个临界条件以内，即处于如图所示的三角锥形曲面内侧，才具有超导电性。,20,三角锥形曲面内侧,超导电性的T-I-H临界面,21,临界温度Tc超导体从常导态转变为超导态的温度，以Tc表示。临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，电阻突然变为零时的温度。由于材料的不纯，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区。,22,临界磁场Hc()实验发现，超导电性可以被外加磁场所破坏，对于温度为T(TTc)的超导体，当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就被破坏了，使它由超导态转变为常导态,电阻重新恢复。,23,这种能够破坏超导所需的最小磁场强度，叫做临界磁场Hc(T)。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系：,式中，Hc是绝对零度时的临界磁场。,24,（）临界电流Ic（）实验表明，在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的最小极限电流，也就是超导态允许流动的最大电流，称作临界电流Ic(T)。,25,在临界温度Tc，临界电流为零，这个现象可以从磁场破坏超导电性来说明。当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到Hc时，超导电性就被破坏这个电流的大小就是样品的临界电流。临界电流随温度变化的关系有,式中，c是绝对零度时的临界电流。,26,超导材料基本物理特性：临界温度Tc、临界磁场Hc和临界电流Ic三个临界值。超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以临界值越高，实用性就强，利用价值就越高。,27,三、超导材料的基本特性1零电阻效应2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）,28,1零电阻效应当温度T下降至某一数值以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电阻效应，也称为超导电性。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。,29,汞在液氦温度附近电阻的变化行为,超导临界温度Tc虽然与样品纯度无关,但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。,30,2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量为零。,31,1933年，迈斯纳(MeissnerW)发现，只要温度低于超导临界温度，则置于外磁场中的超导体就始终保持其内部磁场为零，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。,32,即便是原来处在磁场中的正常态样品，当温度下降使它变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即超导体具有完全抗磁性。这一现象被称为迈斯纳效应，它是超导体的另一个独立的基本特性。,33,超导体内磁感应强度B总是等于零，即金属在超导电状态的磁化率为=M/H=-1,B=0(1+)H=0。超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，B00H),超导体的完全抗磁性如下图所示：,34,液氮环境下的超导实验,由迈斯纳效应可知，超导体在静磁场中的行为可以近似地用“完全抗磁体”来描述。利用这一特性，可以实现磁悬浮。,35,36,超导体的迈斯纳效应的意义：否定了把超导体看作理想导体，还指明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导电性是一种宏观的量子现象。,37,仅从超导体的零电阻现象出发，得不到迈斯纳效应。同样，用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象。因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。,38,迈斯纳效应产生的原因当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。即，无损感应电流对外加磁场起着屏蔽的作用，因此又称为抗磁性屏蔽电流。,39,根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：超导体是指某种物质冷却到某一温度时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。,40,四、超导隧道效应在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。,41,在量子力学中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量不再是一个必要条件。一个能量不大的粒子也可能会以一定的几率“穿过”势垒，这就是所谓的隧道效应。,42,43,1、正常电子隧道效应考虑被绝缘体I隔开的两个金属，如下图所示。,绝缘体通常阻挡从一种金属流向另一种金属的传导电子。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率穿越绝缘层。,44,当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结)的电流-电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正比于电压，如图所示：,45,贾埃弗(I.Giaever)发现，如果金属中的一个变为超导体时，电流-电压的特性曲线会变化如下：,46,2、约瑟夫森隧道电流效应上面所述，其隧道电流都是正常电子穿越势垒。正常电子导电，通过绝缘介质层的隧道电流是有电阻的。这种情况的绝缘介质厚约几十纳米到几百纳米。,47,如果SIS隧道结的绝缘层厚度只有1nm左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种新的隧道现象，即库柏电子对的隧道效应，电子对穿过位垒后仍保持着配对状态。,48,约瑟夫逊在研究电子对通过超导金属间的绝缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸(10-20)时，超导电子可以穿过绝缘层产生隧道效应，即超导体-绝缘体-超导体这样的超导结(约瑟夫逊结或SIS结)具有超导性。,49,约瑟夫森结,当通过超导结的电流大于Ic时，超导结两端会出现电位差U，这时除有正常的隧道电流外，还存在频率f=2ev/h(h为普朗克常量)的交流超导电流。,50,当一频率为f的电磁波信号照射到超导结上，在其直流I-U曲线上，电压U=nhf/2e(n为整数)的地方将出现电流台阶(shapiro台阶)，称为约瑟夫逊效应，它为超导电性的电子学(弱电)应用奠定了基础。,51,直流约瑟夫森效应：在不存在任何电场时，有直流电流通过结。通过结的超导电子对电流J和对位相的依赖关系是,其中，J0正比于迁移相互作用。电流J0是能够通过结的最大零电压电流。,52,交流约瑟夫森效应：当在超导结的两端施加直流电压时，电流会发生振荡，其频率是：,1uv的直流电压，产生振荡的频率为483.6MHz。,53,六、超导材料的分类常规超导体高温超导体(HTS)其它类型超导体,54,常规超导体相对于高温超导体而言，元素、合金和化合物的超导转变温度较低(以液氮温度77K为界)，因此这类超导体被称为常规超导体。,55,高温超导体(HTS)一些复杂的氧化物陶瓷具有高的转变温度，其临界温度超过了77K，可在液氮的温度下工作，称为高温超导体。,56,其它类型超导体碱金属掺杂的C60超导体有机超导体非晶超导材料重费米子超导体金属间化合物(RTB)超导体复合超导材料,57,七、高温超导材料的应用高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：（）大电流应用（强电应用）；（）电子学应用（弱电应用）；（）抗磁性应用。,58,大电流应用主要是指超群的超导磁体用于超导发电、输电和储能等三方面。电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。,59,超群的超导磁体超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。,60,超导磁体可以制作:A、交流超导发电机、磁流体发电机、超导输电线路,61,A、交流超导发电机在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。,62,超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高510倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50。,63,、磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电机发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万6万高斯的强磁场而发电。,64,磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。,65,、超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。,66,据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。,67,超导贮能超导材料在输送电流时，不会损耗电力，故用它可把作发电机可以做得很小。,68,例如一台普通大型发电机需用1520吨铜丝绕成线圈，如果用超导材料作线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却一样。因此，超导材料是一种极好的节能材料和储能材料。,69,1987年，美国国防部为适应“星球大战”的需要，决定建立一个用超导材料储能的蓄电装置。在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可为激光武器供电，用激光摧毁导弹。,70,因为超导材料没有电阻，它的蓄能效率高，可以回收98的多余电力，而且反应速度快。一旦需要电力，在0.3秒内就可从超导储能线圈中把电流引出来送到任何电网。这对星球大战时所需电力是非常重要的。,71,美国已设计并着手建造一个可以储存500万千瓦小时的巨型圈。它的直径有1568米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。,72,超导材料之所以能储存电能是因为它没有电阻，只要把电“注入”超导线圈，电流就可以无休止地在线圈中流动也不会有损耗。,73,超导计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。,74,超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。,75,超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。,76,磁悬浮列车上的磁铁不是常见的那种永久磁铁，而是电磁铁。电磁铁外有一个用导线绕成的线圈，线圈中有电流通过时，铁就产生磁力，只要线圈中一断电，铁就立即失去磁力。,77,电磁铁的线圈有两种，一种是普通的铜导线绕成的，另一种则是用超导材料导线制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来，电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的排斥力和通过电磁线圈中的电流有直接关系，也就是说，只有通过很大的电流，才能产生很大的磁力。,78,但普通的铜导线有电阻，电流一大，铜导线就会发热，电流过大时，还可能使导线烧毁。所以铜导线通过的电流大小受到限制，例如直径1毫米的铜导线，只能通过6安培左右的电流，否则就会过热烧毁。,79,为了使铜导线通过更大的电流，需要加大导线直径，增加冷却设备，这样就会使磁悬浮列车本身的重量加重，这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻，又能让电磁铁产生很大的磁力呢?这似乎是一个难以克服的固难。但自从有了超导材料后，就克服了这一困难。,80,因为超导材料没有电阻，多大的电流通过它也不会产生焦耳热，也不会有电阻产生的损耗。因此，目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车因为不和铁轨接触，没有摩擦力，只有空气产生的阻力，因此时速可达到650公里，和普通的民航飞机的速度差不多。,81,如果将磁悬浮列车装在真空隧道中运行，速度可达每小时1600公里，比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难，因而不易实现。,82,核聚变反应堆“磁封闭体”核聚变反应时，内部温度高达1亿2亿，没有任何常规材料可以包容这些物质