《第2章 超导材料.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章 超导材料.doc（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 超导材料1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在4.2K时突然消失，首次观察到超导电性。2.1 超导体的基本物理性质1） 零电阻效应A.临界温度Tc:电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。 B.临界磁场Hc(T):超导电性可以被外加磁场所破坏。对于温度为T(TTc)的超导体,当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就被破坏了，Hc(T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。 C.临界电流Ic(T):在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界温度Tc，临界电流为零。2） 完全抗磁性超导
2、体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。1933年，德国物理学家迈斯纳(WMeissner)和奥森菲尔德(ROchsenfeld)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。即:超导体内磁感应强度B总是等于零。2.2 传统超导体的微观机制1）同位素效应2）超导能隙3）库柏电子对4）相干长度5）BCS理论2.3 两类超导体的基本特征2.4 超导材料的发展在l986年之前，由于当时己知的所有超导体都要在液氯冷却的条件下才能“工作”，这些不利因素给超导技术的实际应用范围带来了很多
3、限制。因此，关于如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料，一直是科学家们的研究课题。下图列出了人们探索提高超导转变温度的历程。2.4.1 常规超导体相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的超导转变温度较低(Tc30K)，其超导机理基本上能在BCS理论的框架内进行解释，因而通常又枝称为常规超导体或传统超导体。1）元素超导体 已发现的超导元素近50种，如下图所示。除一些元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过持殊工艺处理(如制备成薄膜，电磁波辐照，离子注入等)后显示出超导电性。其中Nb的Tc最高(9.2 K)，与一些合金超导体相接近，而制备工艺要简单得多。周期表中的超导元素（图
4、）2） 合金及化合物超导体具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应用的并不多。下表列出了一些典型合金及化合物的Tc(最大值)。其中A15超导体Nb3Sn是20世纪50年代马梯阿斯(BTMatthias)首次发现的。在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的Tc居于领先地位，它们之中临界温度最高的是Nb3Ge薄膜，为23.2K。此外，c15超导体的临界温度约l0K，上临界场Hc2(约1.6107Am)高于超导合金NbTi，而在力学性质方面优于Nb3Sn，易于加工成型，中子辐照对它的超导电性影响较小，因而是目前受控热核反应用高场超导磁体的理想材料。一些合金及化合物的临界温度（图）一
5、些合金及化合物的临界温度（图）（续）2. 4. 2 高温超导体高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。BCS理论是目前能解释所有这些现象的唯理论，但这并不意味高温超导体就是BCS超导体。高温超导体的配对机理目前还不清楚。新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有其独持的结构和物理特征。主要表现在它们具有明显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及Tc对载流子浓度的强依赖天系。高温超导体系列（图）2.5 超导材料的应用超导体的零电阻效应显示了其无损耗输送电流的性质，大功率发电机、电动机如能实现超导化将会大大降低能耗并使其小型化。
6、如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。此外, 超导体在电工、交通、国防、地质探矿和科学研究(回旋加速器、受控热核反应装置)中的大工程上都有很多应用。利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。用这种探测器制造的超导量子干涉滋强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿产资源普查；通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯质量。超导材料的应用显示出巨大的优越性。4
