低温超导材料的发展和应用

低温超导材料的发展和应用1低温超导材料的发展和应用21234低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用3超导材料：指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。低温超导材料（lowtemperaturesuperconductingmaterial）具有低临界转变温度（Tc30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。化合物低温超导材料有NbN(Tc=16K)、Nb3Sn(Tc=18.1K)和V3Ga（Tc=16.8K）。NbN多以薄膜形式使用，由于其稳定性好，已制成实用的弱电元器件合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。低温超导材料的发展和应用41234低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用5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HHc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：超导体的临界条件低温超导材料的发展和应用6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。低温超导材料的发展和应用7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。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)低温超导材料的发展和应用8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。临界磁场强度为温度的函数，表达式为：)(1220ccccTTTTHHHc0为绝对零度时的临界磁场；THcHc0Tc0低温超导材料的发展和应用超导临界电流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：220/1cccTTJJ低温超导材料的发展和应用第I类超导体只有一个临界磁场Hc；当HHc时，超导态；当HHc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。低温超导材料的发展和应用第II类超导体有两个临界磁场当HHc1时，零电阻且完全禁止磁场线进入迈斯纳态。当Hc1HHc2时，混合态。零电阻，磁场线部份穿过。当HHc2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。低温超导材料的发展和应用金属元素超导体：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；低温超导材料的发展和应用131234低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用14超导零电阻现象的发现1911年荷兰的卡茂林·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。低温超导材料的发展和应用15迈斯纳效应的发现：1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态下，超导体内部的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳效应。低温超导材料的发展和应用16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。完全抗磁性的原因低温超导材料的发展和应用17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。低温超导材料的发展和应用18早在1924年，基佐姆首先建议把热力学用于讨论超导态和正常态之间的相变问题，并与克卢修斯、恩德等人测量了液氦、锡和锌等元素的比热，发现其在低温下存在跃变，证明了“这变化与超导向非超导的转变恰好重合，阻碍超导电性产生的磁场，也阻碍比热变化。向超导的转变与转变热无关。1933年，厄任费斯托首次提出热力学中二级相变的概念。拉特格斯将该理论应用于超导体，得出了在超导转变点比热的跃变同临界场对温度的导数间的关系——拉特格斯公式。1934年，基佐姆等验证了实验数据与拉特格斯公式的理论值，发现比热跃变非常吻合，进一步暗示了热力学在超导体研究中的应用可行性。1934年，戈特和卡米希尔提出了超导相的二流体唯象模型。基佐姆实验低温超导材料的发展和应用19麦克斯韦、雷诺和席林等于1950年各自独立测量了汞同位素的临界温度，结果发现超导体的临界温度和同位素的质量有关：其中M是同位素质量，a=0.50±0.03.实验表明，电子向超导电子转变的过程不受晶格振动影响，从实验上启发了人们电子-声子相互作用可能是超导电性的根源。同位素效应支持了弗列里希基于电子-声子相互作用的超导电性理论，为解决超导电性的微观图像提供了有益的线索。同位素效应的发现acMT常数低温超导材料的发展和应用20约瑟夫森预言1962年，剑桥大学博士后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。超导隧道效应低温超导材料的发展和应用21BCSTheory(1957)解释了超导电性现象的本质Bardeen,Cooper,Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖低温超导材料的发展和应用22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。低温超导材料的发展和应用23当温度TTc时，超导体内存在大量的库珀对，库珀对中的两个电子动量与自旋均等值相反，每一库珀对的动量之和为零。在外电场作用下，所有这些库珀对都获得相同的动量，朝同一方向运动，不会受到晶格的任何阻碍，形成几乎没有电阻的超导电流。当TTc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导态转变为正常态。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。低温超导材料的发展和应用240K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-135oC=138KCurrentHighTemperatureSuperconductors77KNitrogenliquifies4KHeliumliquifies低温超导材料的发展和应用251911年，Hg，Tc＝4.2K1911-20年代，24种纯金属，(Nb，Tc＝9.13K)1952,硅化钒，Tc=17K1957年，BCS理论1960，第II类超导体铌锡合金1973年，Nb3Ge，Tc＝23.2K1987年，Y-Ba-Cu-O，Tc90K，超过液氮温度77K1993年，Hg-Ba-Ca-Cu-O，Tc=135K（高压下164K)超导材料的发展及其临界温度低温超导材料的发展和应用261234低温超导材料简介低温超导材料基础理论低温超导材料发展历程低温超导材料应用低温超导材料的发展和应用27零电阻效应完全抗磁性超导隧道效应低温超导材料的发展和应用28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。低温超导材料的发展和应用292004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。低温超导材料的发展和应用30超导发电机（强磁场的应用）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。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。低温超导材料的发展和应用31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。超导储能基本原理示意图RS1S2S3负载电源Ls超导温度低温超导材料的发展和应用32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(a)常导磁吸型；(b)超导磁斥型低温超导材料的发展和应用33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。低温超导材料的发展和应用34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。低温超导材料的发展和应用35超导量子干涉仪（SQUID)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,大地测量,无损探伤等方面获得了广泛的应用.低温超导材料的发展和应用36l966年，美国温特伯格教授提出了在电磁炮上使用超导体的概念。贮电装置，采用液氦冷却铌线圈在零电阻的状态下通电，铌线圈贮存电能。通过开关控制就能使积存的电能驱动炮，以高速射出弹头。超导电磁炮低温超导材料的发展和应用37谢谢请批评指正38