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1、,吴瑾照 2014-5-12,超导体以及超导体应用,1,2,3,超导现象发现与历史,超导体的特性,超导体的应用以及前景,4,超导体的分类与其他,超导原理,1913年 荷兰实验物理学家昂内斯，他在1911年首次发现低温条件下的某些金属有超导现象，并由此开拓了低温物理学和超导物理学这些新的物理分支，从而获得当年的物理学奖。 2. 1972年 巴丁（John Bardeen）、库珀（Leon North Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）因发现称为BCS理论的超导理论，共同分享了1972年度诺贝尔物理学奖。 3. 1973年 江崎玲于奈（Leo Esaki）和加埃
2、沃（Ivar Giaever）因分别发现半导体和超导体中的隧道贯穿、约瑟夫森（Brian David Josephson）因从理论上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质，特别是被称为“约瑟夫森效应”的实验现象，共同分享了1973年度诺贝尔物理学奖。 4. 1987年 柏诺兹(J. Georg Bednor)和缪勒(Karl A. Muller)因发现钡镧铜氧系统中的高Tc超导电性，共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。,超导原理,电阻： 电流是导体中电子的定向移动，电子在原子间移动时，由于原子与原子核间的电磁力作用会引起原子振动。这个振动就是电阻产生的原因。 超导体中存在着电子对，这些电子对可以
3、平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道。不会引起原子振动，即超导现象。,超导体的发现,1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林-昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林-昂尼斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。,超导历史,1911年，昂内斯在液氦温度下研究金属的电阻与温度的关系时，发现温度T=4.2K附近水银样品的电阻从0.125欧姆突然降至零，他把这种现象称为零电阻性或超导电性。出现超导电现象
4、的那个温度称为临界温度或转变温度，用TC表示。 自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金属超导材料的临界温度范围为0.1K9.13K，最高温度为9.13K的是铌元素。 1950年，科学家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，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导体。,超导历史,1973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.3K，该纪录保持了13年。 1986年，米勒和贝德诺尔茨发现了一种氧化物（镧-钡-铜-氧化物陶瓷超导材料） 具有35K的高温超导性，突破
5、了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。 1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液 氢的“温度壁垒”被跨越。,超导历史,1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物超导（TC77K)叫做高温超导体。 1987年底铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。 1991年发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。 1993年，人们发现了超导临界转
6、变温度为133K的汞-钡-钙-氧系材料,超导体的特性,迈斯纳效应,零电阻现象,如何判定一种材料是不是超导体？,约瑟夫逊效应,迈斯纳效应,在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很强的永久磁铁，然后把温度降低，使锡出现超导性。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起，与锡盘保持一定距离后，便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。,超导体的特性,零电阻现象,在较高的温度时是导体或半导体，甚至是绝缘体，可是当温度降到某一特定值Tc时，它的直流电阻突然下降为零的这一现象。,超导体的特性,约瑟夫逊效应,在线形量子力学中，由于电
7、子等微观粒子具有波粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百A的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为隧道效应。 若把上述装置中的两块金属换成超导体后，当其介质层厚度减少到30A左右时，由超导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称为约瑟夫逊效应,超导体的特性,超导的分类,通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导和第二类超导对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。,通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体和非传统超导体,通过材
8、料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体,超导体的应用以及前景,超导体的应用,超导体的应用,超导体可以有非常大的用途，这也是各国科学家努力研究超导的重要原因。用超导体输送电能可以大大减少消耗，用高温超导体材料加工的电缆，其载流能力是常用铜丝的1200倍；利用超导体可以形成强大的磁场，可以用来制造粒子加速器等，如用于磁悬浮列车，列车时速可达500千米；利用超导体对温度非常敏感的性质可以制造灵敏的温度探测器。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产
9、生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。超导磁体可用于制作交流超导发 电机、磁流体发电机和超导输电线路等。,人们现在正不断地寻找新的超导体，其主要方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料，即“高温超导体”(这里的高温是相对而言的)。20世纪80年代末，世界上掀起了寻找高温超导体的热潮，1986年出现氧化物超导体，其临界温度超过了125K，在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。此后，科学家们不懈努力，在高压状态下把临界温度提高到了164K(-109)。1998年中国科学家研制成功了第一根铋系高温超导输电电缆。这一成功极大地推进了中国高温超导技术的实用化进
10、程。高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。,超导发电,大,笨重,效率低,一种超导电磁流发电装置，是由一组直流线圈和输出接线端与多组交流线圈和输出接线端构成的内口为方型或其它形状中空的线圈组与插在中空腔内的截面为方型或其它形状的长条型超导磁体构成,超导输电,在传输过程中电能由于导线的电阻产生的损耗,由于传统的导线的限制，为了达到输电量的要求，所需要的设备设施，产生的建造费用,减少传输过程中的损耗
11、，,磁悬浮,由于超导体具有完全抗磁性，在车厢底部装备的超导线圈，路轨上沿途安放金属环，就构成悬浮列车。当列车启动时，由于金属环切割磁力线，将产生与超导磁场方向相反的感生磁场。根据同性相斥原理，列车受到向上推力而悬浮。,磁悬浮,说说导轨与机车间不存在任何实际接触，没有摩擦，时速可达几百公里；磁悬浮列车可靠性大，维修简便，成本低，能源消耗仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪声小，时速达300公里/小时，噪声只有65分贝；以电为动力，沿线不排放废气，无污染，是一种绿色环保的交通工具。,核聚变反应堆“磁封闭体”,核聚变反应堆“磁封闭体”：核聚变反应时，内部温度高达1亿度2亿度，没有任何常规材料可以包容这
12、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，从而使受控核聚变能源成为21世纪应用前景最广阔的新能源。,超导体超级计算机,高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。 超导体计算机中的超大规模集成电路中各个元件之间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，可以提高计算机的运算速度。,铁基超导,根据BCS理论，产生超导性的必要条件是材料中的电子必须配对，这样配对的电子称为库柏对。库柏对中的两个电子自旋相反，所以总自旋为零，因而科
13、学家认为超导性与铁磁性可能无法共存，材料中如果加入磁性元素（如铁、镍）会大大降低超导性。 铁基超导体虽然含有铁元素且是产生超导的主体，但是铁和其他元素（如砷、硒）形成铁基平面后，已不再具有铁磁性。,超导体的发展前景,1、利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。还可用在太阳能电池中，如便携音箱锂电池。 2、利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。 3、利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快1020倍，功耗只有四分之一。,
