超导材料解析课件

1、12.3.4 超导材料22 超导材料超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，还能把电流储存起来。 3 2.1 超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。4 1.超导现象的发现 1911年，昂内斯选择了水银作为实验材料，在液氦的温度下进行研究。发现温度降到 4.2 K 左右时，水银的电阻竟然消失了！ 5低温超导体的临界转变温度最高为 30 K，因此，它必须在液氦 (零下269C) 温度下工作。 液氮 (零下196C) 无论在价格、来源和制备都比液氦具有大得多的优势。低温超导体应用的局限性626 种超导金属元素7研

2、究发现：金属合金的超导转变温度比单质金属稍微高一些锗三铌 (Nb3Ge) 的超导转变温度为 23.2 K, 在 20 世纪 80 年代以前是最高记录。81986年，贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，终于发现一种Ba-La-Cu-O 系氧化物材料 (BLCO) 材料在43K这一较高温度下出现超导现象。9而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。使超导温度从极为寒冷的液氦区进入到比较温暖的液氮区。10二流体模型 BCS理论二 超导基本原理11二流体模型 金属晶体的基本组成单位是原子，而原子又是由原子核和核外电子组成，电子在金属

3、内共有化，所以金属实际上是由带正电的离子组成的晶格点阵（C1)和电子气（Ce)组成。不难想象，金属比热包含晶格比热和电子比热。前者和T3成正比，后者满足 Ce =T，是电子比热系数。比热：12实验表明，当达到临界温度时，晶格结构没有发生变化，但金属比热却发生了跳跃式转变。这种转变是由于电子发生了某种转变，可能金属内的电子变成了“超流电子”。基于这种联想高特-卡西米提出了二流体模型13 二流体模型认为金属超导转变后，金属中一部分正常电子凝聚成超流状态，其行动完全自由，畅通无阻，这是一种有序状态，是由于动量凝聚造成的。14 另一个实验是伦敦的模型，超导电流只分布在超导线表面附近的薄层内，超导体内没

4、有电流也没有磁场，因此体现抗磁性。15二流体模型的成功之处：二流体模型的局限性：1.把超导体中的电子分为两类：常态电子和超导电子。2.认为超导态与电子的状态有关。1.电子是如何从常态变成超导态？2.为何超导电流只分布在超导线表面附近的薄层内？16 同位素效应 超导能隙 机理解释 BCS理论17 同位素效应 超导临界转变Tc与原子质量的平方根成反比 18由于晶格振动的频率也与原子量的平方根成反比，所以同位素效应也暗示了超导体中电子行为和晶格之间的密切联系。超导能隙由超导态的比热容可知，超导态的电子能谱中存在一个半宽度为的能量间隔，在这个能量间隔内禁止电子占据，人们把2或称为超导态的能隙。 20

5、L. N. Cooper认为超导态是由正则动量(机械动量与场动量之和)为零的超导电子组成的，它是动量空间的凝聚现象。要发生凝聚现象，必须有吸引力的作用存在。机理解释21电子在晶格点阵中运动，它对周围的正离子有吸引作用，从而造成局部正离子的相对集中，导致对另外电子的吸引作用。这样两个电子通过晶格点阵发生间接的吸引作用。 库柏电子对库柏(Cooper)证明：当2个电子间存在净的吸引作用时，在费米面附近就存在一个动量大小相等、方向相反且自旋相反的束缚态；它的能量比2个独立的电子总能量低，这种2个电子对的束缚态称为库柏对。 BCS超导微观理论超导电性来源于电子间通过晶格作媒介所产生的相互吸引作用， 当

6、这种作用超过电子间的库仑排斥作用时，电子会形成束缚对，也就是库柏电子对，从而导致超导电性的出现。 库柏对会导致能隙存在，超导临界场、热力学性质和大多数电磁学性质都是这种库相对活动的结果。 元素或合金的超导转变温度与费米面附近电子能态密度N(EF)和电子-声子相互作用能U有关，可用电阻率来估计。BCS超导微观理论在绝对零度下，对于超导态，低能量的即在费米球内部深处的电子，仍与处在正常态中的一样。 但在费米面附近的电子，则在吸引力作用下，按相反的动量和自旋全部结成库柏对，也就是凝聚的超导电子，在有限温度下，一方面出现一些不成对的单个激发电子，相当于所谓正常的电子； 另一方面库柏对吸引力减弱，结合程

7、度变差。温度越高，成对的电子数越少，结合程度越差。当达到临界温度时，库柏对全部拆散成单个的正常电子，超导态即转变成正常态了。 零电阻、能隙的解释在超导态情况下，载流子是库柏电子对。库柏对的电子虽然受到散射，但在过程中，总动量不变，电流就不会变，相当于无阻状态 能隙就是破坏一个库柏对所需要的能量，至少2 用BCS理论解释超导性质 26第一类超导体：只有一个临界磁场 Hc 和正常态、超导态两种状态的超导体叫第 一类超导体。超导体的分类27272. 第二类超导体：具有两个临界磁场 Hc1、Hc2 ，并且可以经 历超导态、混合态和正常态这三种状态的超导体，叫第二 类超导体。292.2、超导体的三个临界

8、参数 1911年，荷兰物理学家昂内斯(Onnes)在成功地将氦气液化、获得4.2K的超低温后，开始研究超低温条件下金属电阻的变化，结果发现：当温度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！这就是超导现象，此时的温度称为超导临界温度Tc。30零电阻是超导体最基本的特性，它意味着电流可以在超导体内无损耗地流动，使电力的无损耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的载流密度，可用以形成强磁场或超强磁场。 31发现超导电性后，昂内斯即着手用超导体来绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后，超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流Ic。此后，又发现了超导体的临界磁场Hc。Ic和Hc也是超导

9、体的基本特性，是实现超导体强电应用的必要条件。 32临界温度（Tc）、临界电流（Ic ）和临界磁场（Hc ）是“约束”超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于三个临界条件以内，即处于如图2.1所示的三角锥形曲面内侧，才具有超导电性。 33二.产生的条件:342.2.1 临界温度Tc 超导体从常导态转变为超导态的温度就叫做临界温度，以Tc表示。临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，电阻突然变为零时的温度。由于材料的不纯，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区域。 352.2.2 临界磁场Hc()实验发现，超导电性可以被外加磁场所破坏，对于温度为T(TTc

10、)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，使它由超导态转变为常导态, 电阻重新恢复。36这种能够破坏超导态所需的最小磁场强度，叫做临界磁场Hc(T) 。它与超导材料的性质有关，不同材料的Hc变化范围很大。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)和温度的关系是随温度降低，Hc增加。一般可以近似地表示为抛物线关系：式中，Hc是绝对零度（0K）时的临界磁场。37 2.2.3 临界电流Ic(T)实验表明，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，破坏超导电性所需要的最小极限电流，亦是产生临界磁场的电流，也就是超导态允许流动的最大电流，称作临界电流Ic(T

11、)。38在临界温度Tc，临界电流为零，这个现象可以从磁场破坏超导电性来说明。当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到Hc时，超导电性就被破坏这个电流的大小就是样品的临界电流。临界电流随温度变化的关系有式中，c是绝对零度时的临界电流。39 超导材料基本物理特性： 临界温度Tc、临界磁场Hc和临界电流Ic三个临界值。 超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示超导性，三者缺一不可，其中Tc、 Hc只与材料的电子结构有关，是材料的本征参数。而Ic 和Hc不是相互独立的，是彼此有关并依赖于温度。三者关系可用曲面图2.1表示。所以临界值越高，实用性就越强，利用价值就越高。402.3 超导材料的基本特性

12、1零电阻效应2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）412.超导体的主要特征1.完全导电性（零电阻效应） 某些物质在一定值的温度下，电阻突然变到零，或 者说电阻完全消失 ，这种状态称为超导态 ( super-conducting state )，而具有这种特性的物质就称为超导体 ( superconductor ) 。 超导体在刚刚进入超导态的温度叫作 超导临界温度 ( superconducting critical temperature )，用 Tc 表示。即TTc时，超导体出于正常态。421.常导体的“零”电阻比超导体的“零”电 阻的值要大很多。2.常导体的电阻随温度渐变至“零”，而超 导体

13、的电阻随温度下降几乎是跃变至 “零”的。3.超导体的“零”电阻是指直流电阻。如何理解超导体的”零电阻”超导体的”零”电阻和常导体的”零”电阻的含义是有根本区别的.常导体的电阻率随温度的变化曲线水银电阻率随温度的变化432.临界磁场效应（Hc ） 当超导体处于超导态时，当外磁场强度超过某一数值Hc时，超导电性被破坏，超导体会突然就变成正常导体，出现了电阻。Hc被称为临界磁场强度。 实验表明对一定的超导体临界磁场是温度的函数。Hc ( T ) = Hc ( 0 ) 1 ( T Tc ) 2 Hc ( 0 ) 为 T 0 时的临界磁场。T = Tc 时，Hc = 0，T 0 时， Hc 达到最大值。

14、高于临界值是一般导体，低于此数值时成为超导体。Hc ( T ) = Hc ( 0 ) 1 ( T Tc ) 2 443.临界电流效应（Ic） 当通过超导体的电流超过一定的数值Ic后，超导电性也可被破坏，称Ic为临界电流。4.完全抗磁性（迈斯纳效应） 处在超导状态时，超导体内部磁感应强度为零。如果把超导样品放置到磁场中，然后冷却到临界温度Tc以下，原来在样品内的磁通就要从样品内被排出，这种现象称为迈斯纳效应（Meissner effect）。45液氮环境下的超导实验由迈斯纳效应可知，超导体在静磁场中的行为可以近似地用“完全抗磁体”来描述。利用这一特性，可以实现磁悬浮。4647仅从超导体的零电阻现

15、象出发，得不到迈斯纳效应。同样，用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象。因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻现象和迈斯纳效应。 48迈斯纳效应产生的原因当超导体处于超导态时，在磁场的作用下，表面产生无损耗感应电流，这个电流产生的磁场与原磁场的大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。即，无损感应电流对外加磁场起着屏蔽的作用，因此又称为抗磁性屏蔽电流。 49根据上述超导材料的两个基本特征，可以看出：超导体是指某种物质冷却到某一温度时电阻突然变为零，同时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。502.6 超导材料的应用2.6.1 高温

16、超导材料的应用高温超导材料的用途，大致可分为以下三类：（）大电流应用（强电应用）；（）电子学应用（弱电应用）；（）抗磁性应用。51大电流应用主要是指超群的超导磁体用于超导发电、输电和储能等三方面。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。节能方面 （1）超导输电 （2）超导发电机和电动机 （3）超导变压器 麻烦的是，电缆必须一直浸在77K(约 -196)的液氦之中。因此，如果要架设这样的电缆，每隔1 000米左右就必须安装泵机和冷却设备，大大增加了超导电缆方案的成本和复杂程度，这本身就消耗巨大的电能。热绝缘结构电缆基本结构示意图 从内到外

17、，依次为： 管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）； 超导导体层（为超导带材分层绕制）； 热绝缘层（为真空隔热套件）； 常规电气绝缘层（工作在常温下）； 电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。冷绝缘结构电缆基本结构示意图 从内到外，依次为： 管状支撑物（内通液氮）； 超导导体层（为电缆载流导体）； 电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）； 超导屏蔽层（为超导带材绕制）； 液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）； 热绝缘层（为真空隔热套件）； 常规电缆屏蔽层和护层。磁悬浮列车的不足1、由于磁悬浮是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题任

18、然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。2、常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。3、超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常到技术更大，冷却系统重，强磁场对人体与环境都有影响。为什么磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势？首先，磁浮铁路的造价十分昂贵。与高速铁路相比，修建磁浮铁路费用昂贵。根据日本方面的估计，磁浮铁路的造价每公里约需60亿日元，比新干线高20。磁浮铁路所需的投入较大，利润回收期较长，投资的风险系数也较高，从而也在一定程度上影响了投资者的信心，制约了磁浮铁路的发展。为什么磁浮铁路并没

19、有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势？其次，磁浮铁路无法利用既有的线路，必须全部重新建设。由于磁浮铁路与常规铁路在原理、技术等方面完全不同，因而难以在原有设备的基础上进行利用和改造。高速铁路则不同，可以通过加强路基、改善线路结构、减少弯度和坡度等方面的改造，某些既有线路或某些区段就可以达到高速铁路的行车标准。在对既有线路进行高速铁路改造的过程中，还可以实现高、中速混跑，列车根据不同区段的最高限速以不同的速度行驶。因而，与磁浮铁路的全部重新建设相比，高速铁路的线路和运行成本就大大降低了。为什么磁浮铁路并没有出现人们所企望的那种成为主要交通工具的趋势？再次，磁浮铁路在速度上的优势并没有凸显

20、出来。30多年前，许多人认为轮轨粘着式铁路的极限速度为每小时250公里，后来又认为是300-380公里。但是现在，法国的“高速列车”(TGV)、德国的“城际快车”(ICE)和穿越英吉利海峡的“欧洲之星”列车以及日本的新干线，其运行速度都达到或接近每小时300公里。1990年，在巴黎西部地区运行的法国第二代高速列车TGVA“大西洋”号更是创下了试验时速515.3公里的世界纪录。更何况，既便是磁浮铁路的行车速度达到每小时450-500公里，在典型的500公里区间内的运行中，也只比时速为300公里的高速铁路节约半小时，其优势不是特别明显。66其它高速列车-无砟轨道列车“砟”是小块的石头。常规铁路都在

21、小块石头的基础上，再铺设枕木或混凝土轨枕，最后铺设钢轨，这种线路不适于列车高速行驶。无砟轨枕本身是混凝土浇灌而成，路基也不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道67无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可减少维护、降低粉尘、美化环境，列车时速可达200公里以上。“成灌高铁” (中西部铁路建设中首次运用无砟技术)于2009年5月12日正式投入运营，时速可达218公里，从成都至青城山景区不超过40分钟。建设中的京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁均采用无砟轨道技术。682010年9月28日，沪杭高铁试运行，运行时速高达416.6公里。无砟轨道和无缝钢轨联结，再加上新一代

22、高速动车组国产“和谐号” CRH380A，共同创造出世界铁路运营试验最高时速记录。沪杭高铁692010年12月3日，在京沪高铁枣庄至蚌埠间进行的先导段联调联试和综合试验中，CRH380A高速动车组最高运行时速达到486.1公里，这是继9月28日沪杭高铁试运行创下时速416.6公里之后，中国高铁再次刷新世界铁路运营试验最高速度。 京沪高铁四、电子信息领域的应用超导材料1、超导计算机第四节 超导材料的应用 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。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件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，同时计算机的运算速度大大提高。此外，正在研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。三、研究领域的应用冷