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2020/5/28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2020/5/282020/5/28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。2020/5/284.004.204.400.1500.1000.0500.000K/T)/(R***cT：临界温度4.20K附近汞的电阻突降为零在2020/5/28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。2020/5/281.1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．2020/5/281.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2020/5/281.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。2020/5/28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2020/5/281.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1V时所输送的电流。Ic(V)IV失超2020/5/281.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HHc(0)TcT超导态2020/5/281.超导技术导言1.2超导物理特性零电阻当（临界电流）时，cc,IITT电导率电阻率，0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.2020/5/281.超导技术导言1.2超导物理特性2020/5/281.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１９５４年３月１６日到１９５６年９月５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。2020/5/281.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。(a)TTc在超导环上加磁场(b)TTc圆环转变为超导态(c)突然撤去外电场，超导环中产生持续电流2020/5/281.超导技术导言1.2超导物理特性超导体内部电流10万年不会消失后来，费勒和密尔斯利用核磁共振方法测得结果表明：将测量精度作为衰减量，超导电流至少持续时间不少于１０万年。“事实上，我们会发现，在绝大多数情况下，小于1010000000000年时间内，我们不能指望磁场或者电流会有任何变化！”（《超导电性导论》[美]M.廷哈姆，哈佛研究生教材，1975；中译本，1985年9月，科学出版社)2020/5/281.超导技术导言1.2超导物理特性迈斯纳效应迈斯纳效应又叫完全抗磁性，1933年迈斯纳研究超导态的磁性时发现，超导体一旦进入超导状态，超导体内部的磁通量将全部被排出超导体外部，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。NNSS注：S表示超导态N表示正常态2020/5/281.超导技术导言1.2超导物理特性迈斯纳效应德国物理学家迈纳斯2020/5/28tSBtΦlEd)(dddd超导体内,0E0d/dtB,cHH外当0内H0HHSNHI1.超导技术导言1.2超导物理特性迈斯纳效应2020/5/281.超导技术导言1.2超导物理特性迈斯纳效应观察迈斯纳效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。2020/5/281.超导技术导言迈斯纳效应超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象，磁悬浮现象在工程技术中有许多重要的应用，如用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等。1.2超导物理特性2020/5/28BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)1.超导技术导言巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝尔物理奖1.2超导物理特性2020/5/28BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)1.超导技术导言1957年在伊利诺大学的B.D.Bardeen(巴丁)、L.N.Cooper(库柏)及J.R.Schrieffer(施里弗)为了正确解释超导现象，发表了著名且完整的超导微观理论（量子理论），称为BCS理论。BCS理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论.BCS理论认为：晶格的振动使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零的库珀对，所以根据量子力学中物质波的理论，库珀对的波长很长，以至于其可以绕过晶格缺陷杂质流动从而无阻碍地形成电流。1.2超导物理特性2020/5/28BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)理论——高深的量子力学和许多数学知识。两个电子－电子库柏对－超导电流。晶格振动的热运动—拆散库柏对不能解释30K以上超导现现象.(金属：30K为禁区).1.超导技术导言1.2超导物理特性2020/5/281.超导技术导言1.4超导体分类在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图元素周期表中青色方框所示）,而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如图元素周期表中绿色方框所示）2020/5/281.超导技术导言1.4超导体分类第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、鎘、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。第Ⅰ类超导体2020/5/281.超导技术导言1.4超导体分类第Ⅱ类超导体(1)第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态(2)第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有(3)第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度2020/5/281.超导技术导言为了寻找较高临界温度的超导材料，在50年代早期，科学家们将注意力转向了合金和化合物。1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡合金。1960年，昆兹勒发现了铌锡合金在8.8万高斯磁场中仍具有超导性。它正是第Ⅱ类超导体。以后，又陆续发现了若干铌系列合金超导体。1973年，发现了铌锗合金，其临界温度可达23.2K，这一发现又激起了科学家们寻找高温超导体的热情。第Ⅱ类超导体发现后，美国和英国的一些公司又花了近10年时间开发可靠的超导产品。之后，人们进入了在多元素化体系中寻找高临界温度超导体的竞赛。1.5超导材料2020/5/28超导特性发现于1911年：4.2K临界温度提高很慢：75年后达23.2K.1988年：110K（2年：100度）1.超导技术导言1.5超导材料著名高温超导物理学家2020/5/281.超导技术导言1.5超导材料1986年出现了突破性的进展，美国IBM公司瑞士实验室的研究人员米勒和贝德诺尔茨于1986年1月发现了临界温度为35K的锎钡铜氧化物陶瓷超导材料，这一温度比1973年的记录又提高了12K。从而获得了1987年诺贝尔物理学奖。2020/5/281.超导技术导言1987年2月，中国、日本和美国先后报导了临界温度超过氮气液化温度77.3K的超导体研制成功的消息。同一时期，高温超导进入了一个突飞猛进的发展阶段。在这个研究领域中，中国、美国和日本处于领先地位。高温超导材料高于35K的超导材料均为金属氧化物，亦即陶瓷材料。高于77.3K的超导材料的金属中除一例外，均含金属铜，其中比较典型的是钇、钡、铜氧化物。80年代中期以来，新发现了1300多种超导材料。1.5超导材料2020/5/281.超导技术导言1986年1月在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K。1987年1月初日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。1.5超导材料2020/5/281.超导技术导言1987年2月16日美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为98K的超导体。1987年2月20日中国也宣布发现100K以上超导体。1987年3月3日，日本宣布发现123K超导体。1987年3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。1.5超导材料2020/5/281.超导技术导言1987年2月14号中国物理学家赵忠贤获得110K的超导材料；1987年3月9号，日本宣布获得175K的超导材料；1.5超导材料1987年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇－钡－铜－氧化物，使超导记录提高到了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。2020/5/281.超导技术导言1.5超导材料日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，并取代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装置和磁分离装置等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者由于能够测量极其微弱的磁性，因而可被应用到医学和材料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件,但关键是要大幅度提高这种元件的集成度。未来超导材料的发展2020/5/281.超导技术导言1.5超导材料C60超导体有较大的发展潜力，由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使C60超导体更有望实用化。C60被誉为21世纪新材料的”明星”，这种材料已展现了机械、光、电、磁、化学等