超导技术及其应用ppt(第1讲)

单位：武汉大学电气工程学院办公室：大电网安全研究所2311室主讲人：彭晓涛杨军,超导技术及应用,课程内容,超导技术导言超导电力系统及其设备超导磁悬浮技术超导磁储能技术,参考书目,超导磁体交流损耗和稳定性，刘在海，国防工业出版社超导物理基础，韩汝珊、伍勇，北京大学出版社超导电性导论，美M.廷哈姆，科学出版社超导电工程学，舒泉声机械工业出版社超导电性及其应用，林良真，张金龙，李传义等北京工业大学出版社,第1讲超导技术导言,超导体（superconductor）,超导体是指当某种导体在一定温度下，可使电阻为零的导体。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性，也称为超导现象。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。,金属导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少。然而，对于普通导体，如铜和银，纯度和其它缺陷也会影响其极限。即使接近绝对零度时，纯样的铜也仍然保有电阻值。而超导体的电阻值，相反的，则是当材料低于其“临界温度”时，电阻会骤然降为零，通常在绝对温度20度或更低時。在超导体线材里面的电流能够不断地持续而不需要再额外提供电能。,1.1超导的发现,1.超导技术导言,荷兰物理学家昂纳斯(HeikeKamerlinghOnnes),低温物理学家1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根，1926年2月21日卒于荷兰的莱顿因制成液氦和发现超导现象象1913年获诺贝尔物理学奖,昂纳斯的低温实验装置原理图,1.超导技术导言,1.1超导的发现,1908年7月10日,卡末林-昂纳斯和他的同事在精心准备之后，集体攻关，终于使氦液化。这次卡末林-昂纳斯共获得了60cc的液氦，达到了4.3K的低温。他们又经过多次实验，第二年达到1.38-1.04K。它标志着所有物质都可以存在于气液固状态。,“永久气体”氦气液化成功,1.超导技术导言,1.1超导的发现,昂纳斯为了研究金属在低温下的属性，选用了水银，却偶然地发现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象-超导电性。然而，对于卡末林-昂纳斯来说，这一发现并非完全偶然，因为：1.他首先实现了氦的液化，而且直到20年代，全世界只有他独家生产液氦；2.他所在的低温实验室拥有大规模液氦生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；3.他明确地认定要探索低温下物质的各种特性，特别是电阻的变化。而正是从各种金属的电阻随温度变化的关系打开了通向超导电性的道路。所以超导电性的发现对于卡末林-昂纳斯来说，又是必然的。,1.超导技术导言,1.1超导的发现,1.超导技术导言,1.1超导的发现,低温冷却介质地成功获取，使昂纳斯研究各种金属导体在低温状态下特性成为了可能。昂纳斯试着利用液态氦对汞进行冷却，终于使汞的温度冷却到接近绝对零度。当他将电流通过汞线，测量汞线的电阻随温度变化时，一个奇异的现象出现了：当温度降到4.2K时，电阻突然消失了。1911年12月28日昂纳斯宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。,1.超导技术导言,1.1超导的发现,不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超导态”，如锡和铅。其中，锡的转变温度为3.8K，铅的转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状态下进行种种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、锆、铝、锘等24种元素以及是超导体。从此，超导体的研究进入了一个崭新的阶段。,1913年，昂尼斯因发现超导现象而荣膺诺贝尔奖。他在诺贝尔领奖演说中指出：低温下金属电阻的消失“不是逐渐的，而是突然的”，水银在42K进入了一种新状态，由于它的特殊导电性能，可以称为超导态”,1972年J.巴丁(美)L.N.库珀(美)J.R.斯莱弗(美)提出所谓BCS理论的超导性理论。1973年B.D.约瑟夫森(英)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.柏诺兹(美)K.A.穆勒(美)发现新的超导材料。,超导研究获诺贝尔物理学奖情况,1.超导技术导言,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,所谓超导电性，是指物质在一定的温度条件下其电阻下降为零的现象。科学家们在研究超导化合物时发现，化合物内部电子的分布是不平均的，在电子分布稀少或者没有电子的地方会形成一个空穴，而这个空穴可能就是让物质具备超导能力的原因。,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,零电阻,迈斯纳效应,临界磁场,临界电流,临界温度,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,实现超导必须具备一定的条件，如温度、磁场、电流都必须足够的低。超导态的三大临界条件：临界温度、临界电流和临界磁场，三者密切相关，相互制约。,临界温度(T),临界温度(Tc):超导体电阻突然变为零的温度。,1.2超导物理特性,1.超导技术导言,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,临界电流,超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。目前，常用电场描述Ic(V)，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,临界磁场,逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。有经验公式：Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2),正常态,H,Hc(0),Tc,T,超导态,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,零电阻,当（临界电流）时，,零电阻是超导体的一个重要特性，实验表明：超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关，这意味着存在临界电流，超过临界电流就会出现电阻.,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,1.超导技术导言,1.2超导电性,超导体内部电流永远不会消失,昂尼斯发现超导电性以后，继续进行实验，测量低温下电阻是否完全消失。昂尼斯把一个铅制圆圈放入杜瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅冷却成为超导体，最后把瓶外的磁铁突然撤除，铅圈内便会产生感应电流并且此电流将持续流动下去，这就是昂尼斯持久电流实验。许多人都重复做这个实验，其中电流持续时间最长的一次是从年月日到年月日，而且在这两年半时间内持续电流没有减弱的迹象，液氦的供应中断实验才停止。持续电流说明超导体的电阻可以认为是零。,1.超导技术导言,1.2超导物理特性,超导体零电阻观察与测量：一超导环置一磁场中，然后冷却使之转变成超导态，快速撤去磁场。产生感应电流。,TTc在超导环上加磁场(b)T120K为冷冻温区120KT0.3K为低温温区T120K）,1.基于相变原理的制冷:R12:-30,R14:-128.电冰箱,空调等.2.电制冷:利用半导体材料的珀尔帖效应,可以取得制冷效果.医学,生物学:降温帽,白内障摘除器等.,1.超导技术导言,1.3低温制冷技术,低温温区的主要制冷手段:（120KT0.3K）,1.等焓节流:80K左右.2.等熵膨胀-等焓节流:20K:液态氢,4.2K的液态氦.3.对低温液体抽气降温.例如:液氦:0.8K,0.3K,1.超导技术导言,1.3低温制冷技术,超低温温区的获得:（TTc时，先使这种导体磁化，这时它还没有达到电阻率为零的理想状态，内部可以存在磁场，然后使温度下降到TTc,电阻率减小到零，在此过程中，“理想导体”内部磁场不会消失。简单地说“理想导体”没有迈斯纳效应，而超导体具有迈斯纳效应。,4.第类超导体有几个临界磁场？,第二类超导体具有两个临界磁场。,5