2021-2022学年高二物理竞赛课件：超导体的电磁特性

1、超导体的电磁特性121911年，荷兰莱顿大学H. Kamerlingh-Onnes发现水银在 4.2 K时电阻消失1973年，发现超导合金铌锗合金，临界温度 23.2 K1986年底，美国贝尔实验室氧化物材料，临界温度 40K （液氢）1986年，发现超导氧化物LaBaCuO，临界温度 35 K1987年2月，朱经武（美）赵忠贤 YBCO 临界温度 90 K 77K (液氮)1987年底，Tl-Ba-Ca-Cu-O，临界温度 125 K电阻为零的现象称为超导电性，出现超导电现象的温度称为转变温度或临界温度（critical temperature），常用TC 表示34一、超导体(superco

2、nductor)的主要电磁特性1. 零电阻性(zero resistance ) 电阻为零的导体是理想导体 =0， 根据 E= j0 得 E=0 , 即使 j0 0， E=0 超导体内部不可能存在随时间变化的磁场 电磁感应定律微分形式超导线圈观察超导零电阻实验 即使有电流，理想导体内部电场也为零降温至 T TC5 将超导体放在磁场中（TTC），保持温度不变，逐渐增大磁场达到某特定值时超导态转变为正常态，此特定值称临界磁场BC2. 临界磁场 / 临界电流 (critical field /current )正常态1Bc/B0T/Tc1超导态 超导态满足: 温度 TTC 和 磁场 BTC 或 磁场

3、 B BC6 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)=H0(0) (1-T2/Tc2)正常态1Bc/B0T/TC1超导态HC/H0当超导体内电流 IIC 时，超导态将转变为正常态。 当超导体中有电流通过时，电流产生的磁场也将作用于超导体自身，磁场达到BC时，超导性也被破坏. 临界电流ICBC时对应的电流为7 将超导体置于磁场仍保持超导态，或在磁场中由正常态转变为超导态，超导体都将把磁感应线完全排斥到体外去, 此现象称迈斯纳效应或完全抗磁性。3. 迈斯纳效应 （W.F.Meissner effect） 磁

4、场只能透入超导体表面约107 m数量级深度完全抗磁性和零电阻性是超导体的两种彼此独立的基本性质 超导体的完全抗磁性来源于零电阻性是一种误解。B0B=0B= - B0 零电阻性推论：理想导体内部 B= 恒矢量, 不随时间变化， 若在磁场中降温至 T Tc , 变为超导态，超导体内只能保持失去电阻时磁场状态不变, 不能得到B=0 84. 同位素效应（isotopes effect） 这种特性称同位素效应。 同种材料同位素在化学性质、晶体结构、电子组态及静电性质等方面都相同，只是不同原子量对晶体点阵的热振动(晶格振动)的特性有影响。 超导体的同位素效应暗示了电子与晶格之间的相互作用是超导现象中的重要

5、因素，为超导电性的研究提供了重要启示。 同种超导材料不同同位素的临界温度TC与原子量M有一定关系 9超导体的应用大电流应用（强电应用） 发电、输电、储能电子学应用（弱电应用） 超导计算机、超导天线、超导微波器件抗磁性应用 磁悬浮列车、热核聚变反应堆10五、超导技术的应用 （1）在电力工程方面的应用 (发电、输电、储能)图1 超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维) 超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.11超导发电机 在电力领域，利用超导线圈

6、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。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 12超导储能装置 超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施。一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统几个部件组成。其中超导线圈是超导储能装置的核心部件，它可以是一个螺旋管线圈或是环形线圈 13超导限流器 超导限流器是利用超导体的超导/正常态转变特性，有效限制电力系统故障短路电流，能够快速和有效地达到限流作用的一种电力设备。超导限流器集检测、触发和限流于一体，反应速度快，正常运行时的损耗很低，能自动复位，克服了常规熔断器只能使用一次的缺点 。14（2）超导技术在电子工程方面的应用 用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报 图8 超导量子干涉仪 15超导数字电路 超导数字电路利用约瑟夫森结在零电压态和能隙电压态之间的快速转换来实现二元信息。应用约瑟夫森效应的器件可以制成开关元件，其开关速度可达10-