材料的超导电性

1、LOGO 材料的超导电性材料的超导电性 20114620105 王娟王娟 材料的超导电性材料的超导电性 目录目录 定义定义 特性特性 性能指性能指 标标 科学研科学研 究究 应用应用 一一.超导电性的定义超导电性的定义 什么是材料的超导电性呢？什么是材料的超导电性呢？ 材料在一定的低温下突然材料在一定的低温下突然失去电失去电 阻阻的现象称为的现象称为超导电性超导电性。 当超导体被冷却到当超导体被冷却到临界温度临界温度之下之下 时，表现出时，表现出零电阻零电阻并且并且抵御磁场抵御磁场穿穿 过。温度高于临界，又回到常态。过。温度高于临界，又回到常态。 二二.超导体的特性超导体的特性 零电阻零电阻

2、特性特性 抗磁性抗磁性 同位素效应同位素效应 1.零电阻零电阻 Reality Identity Creativity 超导材料处于超超导材料处于超 导态时导态时电阻为零电阻为零，能，能 够无损耗地传输电能。够无损耗地传输电能。 如果用磁场在超导环如果用磁场在超导环 中引发感生电流，这中引发感生电流，这 一电流可以毫一电流可以毫不衰减不衰减 地维持下去。这种地维持下去。这种“持持 续电流续电流”已多次在实验已多次在实验 中观察到。中观察到。 2.抗磁性抗磁性 超导体的另一个特性是完全抗完全抗 磁性磁性，即处于超导状态的材料，即处于超导状态的材料，磁磁 感应强度感应强度B始终为零始终为零，也称迈

3、斯 纳（Melssner)效应。因此，超导体具有 屏蔽磁场屏蔽磁场和排除磁通排除磁通的性能。 3.同位素效应同位素效应 超导体的临界温度临界温度Tc与其 同位素质量同位素质量M有关。M越大，越大， Tc越低越低，这称为同位素效应。同位素效应。 例如，原子量为199.55的汞 同位素，它的Tc是4.18开，而原 子量为203.4的汞同位素，Tc为 4.146开。 三三.超导体的三个性能指标超导体的三个性能指标 2.临界磁场临界磁场 1.临界温度临界温度 20032004 3.临界电流临界电流 （临界电流密度）（临界电流密度） 1.临界温度临界温度 - ThemeGallery is a Desi

4、gn Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc. 外磁场为零时超导材料由正常外磁场为零时超导材料由正常 态转变为态转变为超导态超导态(或相反或相反)的温度，的温度， 以以Tc表示。表示。Tc值因材料不同而异。值因材料不同而异。 已测得超导材料的最低已测得超导材料的最低Tc是钨，是钨， 为为0.012K。到。到1987年，临界温度年，临界温度 最高值已提高到最高值已提高到100K左右。左右。 2.临界磁场临界磁场 使超导材料的使超导材料的超导态超导态破破 坏而转变到正常态所需的磁坏而转变到正常态所需的磁 场强度，以

5、场强度，以Hc表示。表示。Hc与与 温度温度T 的关系为的关系为Hc=H01- (T/Tc)2，式中，式中H0为为0K时时 的临界磁场。的临界磁场。 3.临临界电流和临临界电流度密界电流和临临界电流度密 Click to add Title Click to add Title 通过超导材料的电流达到一通过超导材料的电流达到一 定数值会使超导态破坏而转变为定数值会使超导态破坏而转变为 正常态，以正常态，以Ic表示。表示。临界电流临界电流I 一般随温度和外磁场的增加一般随温度和外磁场的增加 而减少而减少。单位截面积所承载的。单位截面积所承载的 Ic称为临界电流密度，以称为临界电流密度，以Jc表示

6、。表示。 超导材料的这些参量限定了应用条件超导材料的这些参量限定了应用条件， 寻找高参量的新型超导材料成了人们研究寻找高参量的新型超导材料成了人们研究 的重要课题。以的重要课题。以Tc为例，从为例，从1911年荷兰物年荷兰物 理学家理学家H.开默林昂内斯发现超导电性起，开默林昂内斯发现超导电性起， 直到直到1986年物理学家年物理学家K.A.米勒和联邦德国米勒和联邦德国 物理学家物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了贝德诺尔茨发现了氧化物氧化物 陶瓷材料陶瓷材料的超导电性，从而将的超导电性，从而将Tc提高到提高到 35K。之后，新材料的。之后，新材料的Tc已提高到已提高到100K左左 右。这种突破为

7、超导右。这种突破为超导材料的应用开辟了材料的应用开辟了 广阔的前景，广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨因此荣米勒和贝德诺尔茨因此荣 获获1987年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。 四四.超导体的分类超导体的分类 合金合金 材料材料 超导超导 元素元素 超导超导 化合物化合物 超导材料按其超导材料按其化学成分化学成分 可分为可分为： 1.超导元素超导元素 在常压下有在常压下有28种元素种元素 具超导电性，其中铌（具超导电性，其中铌（Nb） 的的Tc最高，为最高，为9.26K。电工中。电工中 实际应用的主要是铌和铅实际应用的主要是铌和铅 （Pb，Tc=7.201K），已用），已用 于制造超导交流电力电缆

8、、于制造超导交流电力电缆、 高高Q值谐振腔等。值谐振腔等。 2.合金超导材料合金超导材料 超导元素加入某些其他元素超导元素加入某些其他元素 作合金成分，作合金成分， 可以使超导材料的可以使超导材料的 全部全部性能提高性能提高。如最先应用的。如最先应用的 铌锆合金铌锆合金（Nb-75Zr），其），其Tc 为为10.8K，Hc为为8.7特。特。 Content Title 继后发展了继后发展了铌钛合金铌钛合金， 虽然虽然Tc稍低了些，但稍低了些，但Hc高得多，高得多， 在给定磁场能承载更大电流。在给定磁场能承载更大电流。 其性能是其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K， Hc11.0特；特；Nb-

9、60Ti， Tc=9.3K，Hc=12特（特（4.2K）。）。 目前铌钛合金是用于目前铌钛合金是用于78特磁特磁 场下的主要超导磁体材料。场下的主要超导磁体材料。 铌钛合金铌钛合金再加入再加入钽钽的三的三 元合金，性能进一步提高，元合金，性能进一步提高， Nb-60Ti-4Ta的性能是，的性能是，Tc 9.9K，Hc=12.4特（特（4.2K）；）； Nb-70Ti-5Ta的性能是，的性能是， Tc=9.8K，Hc=12.8特。特。 超导元素与其他元素化合超导元素与其他元素化合 常有很好的超导性能。如已大常有很好的超导性能。如已大 量使用的量使用的Nb3Sn，其，其Tc=18.1K， Hc=2

10、4.5特。其他重要的超导特。其他重要的超导 化合物还有化合物还有V3Ga，Tc=16.8K， Hc=24特；特；Nb3Al，Tc=18.8K， Hc=30特。特。 3.超导化合物超导化合物 例如：例如：超导陶瓷超导陶瓷：20世纪世纪80 年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意 到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电 性性.中国、美国、日本等国科学家在中国、美国、日本等国科学家在 钡钇铜氧化物钡钇铜氧化物中发现中发现Tc处于处于 液氮液氮温区有超导电性，使超导陶瓷温区有超导电性，使超导陶瓷 成为极有发展前景的超导材料。成为极有发展前景的超导材料

11、。 Title in here Title in here 主要研究混合态区域的主要研究混合态区域的 磁通线运动的机理，不磁通线运动的机理，不 可逆性质、起因及其与可逆性质、起因及其与 磁场和温度的关系，临磁场和温度的关系，临 界电流密度与磁场和温界电流密度与磁场和温 度的依赖关系及各向异度的依赖关系及各向异 性。性。 五五.超导电性的科学研究超导电性的科学研究 非常规超导体磁通动力学和超导机理非常规超导体磁通动力学和超导机理 超导机理研究侧重于研超导机理研究侧重于研 究正常态在强磁场下的磁阻、究正常态在强磁场下的磁阻、 霍尔效应、涨落效应、费米霍尔效应、涨落效应、费米 面的性质以及面的性质以

12、及TTc时用强磁时用强磁 场破坏超导达到正常态时的场破坏超导达到正常态时的 输运性质等。输运性质等。 对有望表现出对有望表现出高温超导高温超导 电性电性的体系象的体系象有机超导体有机超导体 等以及在强电方面具有广阔应等以及在强电方面具有广阔应 用前景的用前景的低温超导体低温超导体等，也等，也 将开展其在强磁场下的性质研将开展其在强磁场下的性质研 究。究。 六六.超导体的应用超导体的应用 20042006 中国北京大学成功地用液氮中国北京大学成功地用液氮 进行超导进行超导磁悬浮磁悬浮实验。美国华实验。美国华 裔科学家又发现在裔科学家又发现在氧化物超导氧化物超导 材料中有转变温度为材料中有转变温度

13、为240K的超的超 导迹象。鹿儿岛大学工学部发导迹象。鹿儿岛大学工学部发 现由镧、锶、铜、氧组成的陶现由镧、锶、铜、氧组成的陶 瓷材料在瓷材料在14温度下存在超导温度下存在超导 迹象。迹象。 高温超导体高温超导体的巨大突破，以的巨大突破，以 液态氮液态氮代替代替液态氦液态氦作超导制冷作超导制冷 剂获得超导体，使超导技术走向剂获得超导体，使超导技术走向 大规模开发应用。氮是空气的主大规模开发应用。氮是空气的主 要成分，液氮制冷机的要成分，液氮制冷机的效率效率比比 液氦至少液氦至少高高10倍，所以液氮的倍，所以液氮的 价格实际仅相当于液氦的价格实际仅相当于液氦的1/100。 液氮制冷液氮制冷设备简

14、单，设备简单， 因此，现有的因此，现有的高温超导体高温超导体 虽然还必须用虽然还必须用液氮冷却液氮冷却， 但却被认为是但却被认为是20世纪科学上世纪科学上 最伟大的发现之一。最伟大的发现之一。 超导材料具有的超导材料具有的优异优异 特性特性向人类展示了诱人的向人类展示了诱人的 应用前景。但要实际应用超应用前景。但要实际应用超 导材料又受到一系列因素的导材料又受到一系列因素的 制约制约，这首先是它的，这首先是它的临界临界 参量参量，其次还有材料制作的，其次还有材料制作的 工艺工艺等问题（例如等问题（例如脆性脆性的超的超 导陶瓷如何制成柔细的线材导陶瓷如何制成柔细的线材 就有一系列工艺问就有一系列工艺问题。）题。） 超导材料的超导材料的应用应用主要有：主要有： 利用材料的超导电性可制作利用材料的超导电性可制作磁磁 体体，应用于电机、高能粒子加速器、，应用于电机、高能粒子加速器、 磁悬浮运输、受控热核反应、储能磁悬浮运输、受控热核反应、储能 等；可制作等；可制作电力电缆电力电缆，用于大容量，用于大容量 输电（功率可达输电（功率可达10000MVA）；可）；可 制作制作通信电缆和天线通信电缆和天线，其性能优，其性能优 于常规材料。于常规材料。 . 利