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1、超导电力基础,2013年10月 - 12月,唐 跃 进、任丽、石晶邮箱：,课堂作业的回复与述评,总体出席情况,假设代签是同班同学所为假设作业全部是自己所做,课堂作业的回复与述评,总体出席情况,假设代签是同班同学所为假设作业全部是自己所做,批评极少数，代做课堂作业！有的作业就只有一句话！ 超导技术是当今前沿的技术方向之一，是今后的科研热点。,态度决定一切、细节决定成败！,没有一家单位会重用敷衍了事的技术人员！,“世界上怕就怕认真二字。”,课堂作业的回复与述评,电力系统、电气设备、运行、制造、科学研究我国的电力还满足不了国家的发展需求，要继续发展哪里都有新的技术值得关注，关键是自己是否关心个人追求
2、、国家利益、普世价值传统文化，修身齐家平天下，也没有将其对立起来个人、民族、国家之间的竞争与合作超导技术有独特的优势，也不是万能的被赋予重大的期望，发展之路并不平坦,课堂作业的回复与述评,防偏,课堂作业的回复与述评,课程安排与课堂内容（关于讲事例、前沿、应用）,前半程：基础性，关注发展中解决了什么问题，怎样解决问题 后半程：应用性，关注还需要解决什么问题,课堂作业的回复与述评,网站：科研院所、公司的网页中科院电工研究所、 中科院物理所、 中科院等离子体物理研究所美国超导公司 http:/ applied Superconductivity学术期刊IEEE Transactions on App
3、lied SuperconductivityIEEE Transactions on MagneticsPhysca CCryogenics 低温与超导校图书馆数字图书资料,最新信息与资料搜集,1、寻找、发现新的超导体,2、解释超导现象的发生机理,3、深入了解超导体的各种特性,4、将超导体付诸实际应用,后续课程,第1、3章,第2、3章,第2、3、4章,第5、6、7、8、9章,2.4 第I类和第II类超导体,2.3 超导的重要特征参数,2.1 基本的超导现象,2.2 超导电流表达式,2.5 超导电性的微观理论,二、超导现象与基础理论,1）理想导电性2）超导体的临界值3）迈斯纳效应4）超导体的磁化
4、特性5）其它重要的超导特性,超导电力二、超导现象与基础理论,2.1 基本的超导现象,1）理想导电性2）超导体的临界值3）迈斯纳效应4）超导体的磁化特性5）其它重要的超导特性,超导电力二、超导现象与基础理论,2.1 基本的超导现象,由此定义:超导体 superconductor超导电性 superconductivity超导态 superconducting state常态 normal state临界温度 critical temperature,超导,电阻,临界温度,常态,温度,荷兰的K.Onnes 发现了超导现象 基本特征：在临界温度下导体的电阻值成为零,2.1 基本的超导现象1）理想导电
5、性,是否因为残余电阻太小，超出了测量仪器的可测量范围呢？,怀疑很重要。 但不能只停留在怀疑，要去验证,工业仪表等级分为：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0仪表精度=（绝对误差的最大值/仪表量程）*100% 100年前的仪表精度？,疑问：超导体的电阻真的为零吗？,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,卡文迪许设计扭秤测量万有引力,牛顿提出了万有引力，但究竟多大？英国的卡文迪许于1789年发明了扭秤测量万有引力,测量量的转换测量量的放大,实验室超导磁体的通流能力实验用一个电压源给超导磁体（电感）充电升流，达到一定的电流值之后，逐渐降低电源的
6、电压，即使降到了零，磁体的电流仍然存在。电感放电的时间常数 L/R,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,电流Is,当电流存在初始值 i(0) 时，回路电流,测量电流的衰减情况，就可以测定回路的电阻的大小。,零电阻验证：设计实验 原理,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,回路电阻R=0时，,电流 i,回路电流不衰减！,测量手段可能会给被测对象带入误差测量电流的一般方法：测电阻上的电压，显然带入了电阻通过电流互感器测量，测量绕组回路中有电阻,感应磁场B,设计实验 预计的困难,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,S1,S2,E,超导线圈,永久电流的实验方法一例,2.1 基本的超导现象1）理想导
7、电性,S1,S2,E,超导线圈,电流的衰减可以通过磁场的变化来推定增加回路的匝数，可以增加磁场强度，从而提高可测量性。,永久电流的实验方法一例,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,永久电流实验证明： 超导电流几乎不衰减。 保持纪录 2年。 超导电阻率小于10-26 m,同一线圈，在常导态下进行同样的实验，电流在10-5 秒内衰减至零。,铜在室温下的电阻率小于10-8 m,铅（Pb）的实验结果,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,结论：超导态的电阻为零！,一般试验中，超导材料的电阻率小于10-12 m时，即认为处于超导态。,2.1 基本的超导现象1）理想导电性,1）理想导电性2）超导体的临界
8、值3）迈斯纳效应4）超导体的磁化特性5）其它重要的超导特性,超导电力二、超导现象与基础理论,2.1 基本的超导现象,背景：已确认超导体为零电阻你还想知道什么？你想做什么？1、2、3、4、,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,背景：已确认超导体为零电阻疑问：超导体的载流能力怎样？早期进行了多种应用超导体的尝试，明确了超导体存在于超导态的约束条件 临界值,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,超导体在某一温度开始电阻急剧下降，直至变成零。即从常态转变到超导态。从开始转变到完全成为超导的温度宽度，称之为转变宽度。并且，一般将电阻急剧变化到 1/2 时的温度定义为 临界温度 Tc。,(1)
9、临界温度,温度,电阻,Tc,转变宽度,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,转变宽度与物质的纯度有关。纯度越高的材料转变温度越窄。,温度,电阻,Tc,转变宽度,纯度高的材料,纯度低的材料,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,有的超导体观察不到明显的转变宽度，如：高温超导体,对这类物质，临界温度定义为电阻为零时的温度。实际测量中，不可避免地存在误差，一般定义在：电阻率小于10-12 cm,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,超导体在某一磁场强度下，超导状态被破坏，转变成常导状态。这一磁场值称为 临界磁场 Hc。,(2) 临界磁场,H,R,Hc,常态电阻,磁场作用下电阻的变化,2.
10、1 基本的超导现象2）超导体的临界值,临界磁场是温度的函数,T,Hc,常态电阻,Hc0,Tc0,Hc0：温度为 0K 时的临界磁场,Tc0：磁场为 0T 时的临界温度,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,既然存在临界磁场，而电流会产生磁场，超导体的承载电流能力一定会受到制约。,电、磁不可分割,电气工程， 电磁工程,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,超导体所通过的电流密度达到某一个值后，超导状态被破坏，转变成常导状态。这一电流密度称为 临界电流密度 Jc,(3) 临界电流密度,实际应用中，超导材料中总含有杂质，或其他必要的添加材料。为了应用上的方便，常使用概念： 临界电流Ic,临界
11、电流可用电流产生磁场来解释。,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,临界电流和临界磁场的关系，是怎样？,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,H,I,没有外加磁场，仅有通电电流自身产生的磁场时,电流增大使得该磁场达到临界磁场 时,临界磁场是温度的函数，所以,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,临界电流是温度的函数,T,Ic,常态电阻,Ic0,Tc0,无外加磁场时，理想超导体的临界电流密度和临界磁场的关系,H,I,Ic,Hc0,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,有外加磁场时，临界电流怎么变化？,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,外加磁场平行于通电电流时,合成磁场,达
12、到Hc时的电流为临界电流值,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,外加磁场垂直于通电电流时,磁场相加的一侧的合成磁场,Ha前的系数因反磁场系数而产生，与材料的形状有关，2是导体为细长圆柱时的值,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,磁场对临界电流的影响,1）材料构成更复杂2）实际设备中的磁场条件（大小、方向）更复杂,实际情况更复杂,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,（1）临界温度,（2）临界磁场,（3）临界电流密度,Tc，Hc由材料组成决定Jc与材料制造过程相关,材料 Tc(k) Hc2(T)Nb3Sn 18.2 24V3Ga 16.8 21NbTi 9 12,与三个临界值相关
13、的超导相图,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,金无足赤，人无完人,了解长处和短处寻求回避短处的方法充分发挥长处的作用,超导体的长处：电阻为零 不足之处：有条件的为零,启示录,2.1 基本的超导现象2）超导体的临界值,1）理想导电性2）超导体的临界值3）迈斯纳效应4）超导体的磁化特性5）其它重要的超导特性,超导电力二、超导现象与基础理论,2.1 基本的超导现象,2.1 基本的超导现象3）迈斯纳效应,疑问：电阻为零很神奇，其它特性呢？ 科技发展四条路：新材料，新理论、新特性，新应用 除了零电阻之外，超导体还具有什么特性？,发散性的思维，从多个角度思考问题是从事科学研究、发现新现象的重要方法
14、。,冷却至临界温度以下,圆柱形导体,如果仅仅是理想导体（电阻为零）,加外部磁场,撤去外部磁场,磁通线无法穿过导体,2.1 基本的超导现象3）迈斯纳效应,为什么磁通线无法穿过理想导体？,加外部磁场,Ha,He,印加外部磁场时，在理想导体内产生感应电流，而且，电流不衰减。该感应电流产生的感应磁场与外部磁场大小相等，方向相反，所以，导体内部磁通为零。,2.1 基本的超导现象3）迈斯纳效应,冷却至临界温度以下,改变试验顺序，在非理想导体状态加磁场，然后冷却到理想导体状态，撤去外部磁场,加外部磁场,撤去外部磁场,如果仅仅是理想导体（电阻为零）,磁通线无法从导体退出,2.1 基本的超导现象3）迈斯纳效应,为什么撤去外加磁场后， 磁通线仍然保留在导体内部？,撤去外部磁场时，在导体内产生感应电流，该感应电流产生的感应磁场与外部磁场原来的大小相等，方向相反，所以，导体内部仍然保留原磁场相同的磁通。,Ha,He,撤去外部磁场后,2.1 基本的超导现象3）迈斯纳效应,1933年，德国科学家迈斯纳和奥森菲尔德研究了超导体的磁特性,2.1 基本的超导现象3）迈斯纳效应,锡球，常态可见磁通线穿过,锡球，超导态磁通线被排斥,当锡球过渡到超导态，锡球周围的磁场都突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外。 从而发现了 迈斯纳效应,里程碑式的实验,
