专题应用：超导材料.ppt

超导材料福建农林大学材料科学与工学系，超导材料的主要内容是，超导体的零电阻和完全反磁性的原因超导体的三个临界条件超导体的两种基本类型是超导体的主要应用。 1.4.1 .零电阻现象，通常的导体电阻的原因：通常的导体流过电流时，电子与由导体原子构成的晶格相互作用，将能量传递给晶格原子，晶格原子振动产生热，导致电能损失。 正常导体电阻的负面作用：在电力传输中电阻发热，浪费资源，增加功耗成本，发现超导零电阻现象，1.4.1 .零电阻现象，1911年荷兰的卡梅隆奥内斯教授用液氦把水银凝结成固体引线(-40)，把温度降低到-269左右迈斯纳效应的发现： 1933年，德国物理学家迈斯纳在超导状态下，超导体内部的磁场强度h总是为零，即具有完全的反磁性，称为迈斯纳效应。 1.4.2 .负效应，完全反磁性的原因，1.4.2 .负效应，通常的导体、超导体、施加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流抵消超导体内产生的磁场和外部磁场，使超导体内部磁场为零。零电阻现象是超导现象的必要条件，但是电阻为零的情况称为理想导体超导体。 零电阻现象和完全反磁性是超导体两个最基本的，而且是相互独立的属性。 只有同时具有零电阻和完全的反磁性才被称为超导体。 1.4.2 .负效应、1.4.2 .负效应、北京有色金属研究院开发的超导材料所显示的负效应、1.4.3 .超导隧道效应、量子隧道效应：电子有穿过比其自身能量更高的势垒的能力。 当然，贯通概率随着势垒的高度和宽度的增加而急速减少。 例如，如果在两张通常的导体Al之间夹着薄的势垒(10-10m的绝缘层)，在两张Al之间施加电位差，则在绝缘层中流过电流，该电流有电阻，这就是正常导体的量子隧道效应。 约瑟夫森于1962年在剑桥大学的博士课程后，在被极薄的绝缘层(厚度约1nm )隔开的两个超导体的剖面上预言到电流会通过绝缘层。 只要电流不超过某个阈值，即使电流通过绝缘层也不产生电压，该电流被称为无电阻的超导隧道电流。 超导隧道电流与库珀电子对相关，电子对越过势垒后也成为一对，与这种单电子隧道效应不同的新现象被称为约瑟夫森效应。 1.4.3 .超导隧道效应、1.4.4 .超导性产生的原因在于，在超导临界温度以下时，通过以晶格振动(声子)为媒介的间接作用在电子间产生某种吸引力，克服库仑排斥，自由电子不再无序地“单独行动”，形成“电子对” PS理论：PS理论不能解释30公里以上的超导现象，特别是高温超导。电子对概念、温度TTc时，热运动使库珀对分解为正常电子，使超导状态转变为正常状态。 1.4.4 .超导性产生的原因，声子的相互作用吸引库仑排斥的两个电子形成电子对。 当两个电子构成电子对时，即使一个电子被晶格振动或杂质阻碍，另一个电子也起到了不影响电子通路的调节作用，引起超导现象。 温度对超导性的影响：温度越低，电子对越多，电子对的结合变得牢固，超导性变得显着。 温度越高，电子受到热运动的影响而被破坏，超导性越丧失。1.4.4 .超导性产生的原因，BCSTheory(1957 )是超导性现象的本质Bardeen、Cooper、Schrieffer是1972年Nobel物理学奖，1.4.4.4 .超导性产生的原因，1.4.5 .超导体的临界条件，和电流密度J90K，液氮温度超过77K1993年，Hg-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K (高压下164K )、1.4.8 .超导材料的发展历史、超导材料的发展及其临界温度、钇钡铜氧化物(Yb a2 cu3o 1987年朱经武、吴茂昆、赵忠贤等发现的Tc90K、超导转变温度打破液氦，解决了阻碍超导技术应用的瓶颈。 米贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇铜单晶，临界电流密度提高了100倍，达到6105A/cm2。 美国麻省理工大学通过在超导材料中混入银等加热处理的方法，解决材料的脆弱性，将强度提高到超导陶瓷的10倍，适用于输电线。 我国已经制造了零电阻为83.7K的超导材料和零电阻为77K的超导薄膜的高温超导材料的例子，1.4.9 .超导材料的应用，零电阻效应，完全反磁性，超导隧道效应，1.4.9 .超导材料的应用，超导电力传输(零电阻的应用)，超导超导电力传输的优点：超导输电电缆比普通地下电缆的容量大25倍，电力消耗仅输送的电量微小。 传统输电需要高压，有升压、降压设备。 用超导线不需要升压降压设备。 因为轻量、小型、输送大功率的超导线路可以铺设在地下管道内，所以省略了很多传输线的架设铁塔。 从内到外依次是管状支撑物(内通液氮)的超导导体层(电缆通电导体)电绝缘层(在液氮的低温环境下工作)超导屏蔽层(超导带材的缠绕)液氮回流层(构成管状支撑体内的液氮和液氮回流循环)热绝缘层(真空绝热套件)以往的电缆1.4.9 .超导材料的应用，是2004年4月19日在昆明普吉变电站开始运行，7月10日正式合并，由中国第一组、世界第三组试行的超导电缆。 1.4.9 .超导材料的应用，1.4.9 .超导材料的应用，超导发电机(强磁场的应用)，超导断面小的线圈中流过大电流形成强磁场，这就是超导磁铁。 超导发电机的优点：磁场强度大：磁场强度达到20万高斯，常规磁铁最高可达到10万高斯。 耗电量少：不发烧，除了维持低温以外不消耗电力，只流一次电流就能度过一生。 重量： 5万高斯的正常电磁体重达到20吨，但超导磁铁的重量还不到1公斤。 1.4.9 .超导材料的应用，超导贮藏(零电阻效应的应用)，电需求在时间上不均衡，昼夜不同。 最好的解决办法是有保存和调整的手段。 但是，电力的储藏非常困难。 充电：接通开关S1，接通S2和S3后，超导线圈Ls被充电。储藏：闭合S2，打开S1后，电路2中有持续电流，放电：闭合S3，打开S2后，积蓄的电力向外部负载传递。 1.4.9 .超导材料的应用，超导储藏的基本原理的图像是、r、S1、S2、S3、负载、电源、Ls、超导温度、1.4.9 .超导材料的应用，超导磁悬浮列车利用超导体的完全反磁性将列车完全线路化、超导磁浮列车、两种磁浮列车系统、(a )常磁导率吸引型(b )超导磁排斥型、日本开发的磁浮列车MAGLEV于1997年12月在山梨县的试验线上创造了每小时550公里的世界最高记录。日本超导磁排斥型，悬浮气隙大，一般100mm，上海常磁导率吸引型，悬浮气隙小，一般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，30多公里只需要6分钟。 1.4.9 .超导材料的应用、1.4.9 .超导材料的应用、核聚变反应时，内部温度高达100200M，没有任何通常的材料能包含这些物质。 超导体所产生的强磁场作为“磁封闭体”，包围、约束热原子炉中的超高温等离子体，逐渐放出，成为不能控制核聚变能量的新能源。 热核聚变-控制人工太阳，中国开发的“托卡马克”装置(等离子体温度达到5000万度)可以提供清洁、无限的能源。 超导材料的应用、1.4.9 .超导材料的应用、超导量子干涉仪(SQUID )、作为极高灵敏度的磁传感器，超导量子干涉仪(SQUID )广泛应用于生物磁测量、大地测量、无损探伤等。 控制线圈没有电流时，栅极线超导； 控制线圈中流过一定的电流时，该磁场使栅极线从超导状态变化为正常状态。 栅极线的临界磁场低、临界磁场高的控制线(Nb )，操作温度比栅极线的临界温度稍低，远低于控制线的临界温度。 冷子管和超导计算机，1.4.9 .超导材料的应用于1935年，诞生了第一种开关元件。 1956年，巴克指出这种装置被命名为“冷管”，可以用于超导计算机的开发。 当时绕组冷子管的开关速度为10-5秒左右，功耗也很大，但与晶体管的第二代计算机相比优势明显。 1.4.9 .超导材料的应用，IBM公司发明的隧道冷子管具有极高的开关速度(约10-12秒级，速度为半导体器件的百倍