超导材料第一节

1、超导材料第一节第1页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三第一节：超导材料的基本性质和特征什么是超导材料？日常生活中的超导材料？2第2页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三自从世界上以电力作为主要动力以来，就遇到两个令人头痛的问题：、输运过程： 、电力储存：3第3页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三 一、超导材料的发展历程1908年 液氦1911年 Hg零电阻当时，荷兰物理学家昂尼斯为检验金属电阻与温度之间的关系的理论公式的正确性，就用水银作试验。将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度

2、，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列4 K时，水银的电阻突然变成了零。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料称超导材料，而把出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。4第4页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三 199l年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子-60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。科学家预料，球状碳分子-60掺杂金属后，有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。5第5页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三昂尼斯和许多科学家

3、后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。 6第6页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。 到1973年，铌锗合金 Tc23K。 1986年，钇钡铜氧陶瓷氧化物 Tc43K 1987年，Tc78.5K，98K美籍华人朱经武，中国赵忠贤在1987年相继发现了在78.5 K 和98 K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。 1988年，铋锶钙铜氧系 Tc11

4、0K， 朱经武发现的铊钡钙铜氧系125K7第7页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三 1995年美国国立洛斯阿拉莫斯实验室的科学家已经把高温超导体制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。1996年，日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。8第8页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三美国加州大学戴维斯分校超导材料科学家皮克特的最新研究成果向人们揭示，室温超导材料的问世和广泛应用也许为期不远，科学家有望找到在极其炎热的夏季温度(甚至超过100)下依然可以有效工作的室温超导材料

5、。 9第9页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三高温超导材料的不断问世，为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。然而，寻找室温下的超导材料才是科学家最大的梦想，因为室温超导材料极可能引发一场全球性的科技革命和工业革命。迄今为止，科学界公认的最高超导临界温度是138K，但科学家依然没有找到圆满的理论解释。 尽管如此，超导材料在液氮以上温度工作，可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。10第10页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三二、超导材料的两个基本特性1零电阻效应2超导体的完全

6、抗磁性（迈斯纳效应）11第11页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三1零电阻效应 当温度T下降至某一数值以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电阻效应，也称为超导电性。下图是汞在液氦温度附近电阻的变化行为。12第12页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三汞在液氦温度附近电阻的变化行为越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。 13第13页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）指超导体处于外界磁场中，磁力线无法穿透，超导体内的磁通量为零。14第14页，共44页，2022年，5月20日，10点

7、25分，星期三超导体内磁感应强度B总是等于零，B=0(1+ )H=0。 04*10-7Herry/m即超导电状态下的物质的磁化率为=-1。超导体的完全抗磁性如下图所示：15第15页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三液氮环境下的超导实验超导体会排斥磁场，这使得小的永久磁铁能够漂浮在大块的高温超导体上。 16第16页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三日本新干线17第17页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三18第18页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三 2002年月12月底，中、德两国科技合作，上海磁浮列车示范运

8、行顺利实现了首次试运行，列车悬浮在轨道上方，和轨道之间没有直接接触，运行阻力大大减小，因此磁悬浮列车的最大时速可以达到500公里。速度快：超导磁浮可达500至600公里/小时。能耗低：能耗仅为飞机的1/3至1/2，比汽车小30%。维修少：磁浮列车没有车轮，其工作属于无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动。 污染小：磁浮列车采用电力驱动，不需燃油，无有害气体排放，环境污染小。 19第19页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三超导体的迈斯纳效应的意义：否定了把超导体看作理想导体， 对于导体，即使是理想状态，电阻趋于零，而导体内部的磁通密度取决于R 0时的磁通状

9、态。对超导体，在超导状态下，内部磁通密度总是等于零。仅从超导体的零电阻现象出发，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。20第20页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三迈斯纳效应是超导体的又一个基本性质。完全抗磁性就像一个铁面无私的法官，许多令人振奋的发现，许多激动人心的电阻反常，许多所谓的室温超导体，都因为缺乏完全抗磁性的支持而被判了死刑。因此，只有同时具有零电阻现象和完全抗磁性的材料才有希望成为真正的超导体，两者缺一不可。21第21页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的两个独立又相互联系的基本属

10、性，单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻又是迈斯纳效应的必要条件。 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和迈斯纳效应。 22第22页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三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外加磁场大小相等，方向相反，因而总合成磁场为零。即，无损耗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。 23第23页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三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

11、时物质内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。24第24页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三三、超导体的三个临界参数临界温度 Tc临界磁场 Hc临界电流 Ic25第25页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三发现超导电性后，翁奈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也是超导体的基本特性，是实现超导体强电应用的必要条件。 26第26页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三 临界温度Tc 超导体从常导态（有电阻）转变为超

12、导态（电阻消失）的温度，称为临界温度，以Tc表示。目前已知的銠的Tc最低，为0.0002K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。（可以发生临界温度的条件）27第27页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三严格的说，由于材料的不纯，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区。从而引入下面四个区域的温度参数： 1：零电阻温度Tc即在理论材料电阻R0时的温度。 2：起始转变温度Tc（on set） 即材料开始偏离常导态线性关系时的温度。3:转变温度宽度 Tc 即取（1090）Rn（Rn为起始转变时，材料的电阻值）对应的温度区域宽度。 Tc 越窄，

13、说明材料的品质越好。4：中间临界温度Tc（mid） 即取1/2Rn对应的温度值对一般常规超导体，这一温度值有时可视为临界温度。28第28页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三1：零电阻温度Tc即在理论材料电阻R0时的温度。 2：起始转变温度Tc（on set） 即材料开始偏离常导态线性关系时的温度。3:转变温度宽度 Tc 即取（1090）Rn（Rn为起始转变时，材料的电阻值）对应的温度区域宽度。 Tc 越窄，说明材料的品质越好。4：中间临界温度Tc（mid） 即取1/2Rn对应的温度值对一般常规超导体，这一温度值有时可视为临界温度29第29页，共44页，2022年，5月20

14、日，10点25分，星期三 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)的超导体，当外磁场超过某一数值Hc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。30第30页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三这种能够破坏超导所需的最小磁场强度，叫做临界磁场Hc。Hc随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系：式中，Hc是绝对零度时的临界磁场。TTc可以看出在临界温度Tc时，临界磁场为零31第31页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三设 H/Hc0=h, T/Tc=t (H,T为单位)上式变为：h(t)=1-t2

15、32第32页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三 （）临界电流Ic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，导致破坏超导电性所需要的最小极限电流，也就是超导态允许流动的最大电流，称作临界电流Ic。33第33页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三式中，c是绝对零度时的临界电流。通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到临界磁场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TTc临界温度Tc时，临界电流为零34第34页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三临界温度（Tc）、临界

16、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，要使超导体处于超导状态，必须将它置了三个临界值Tc 、 Ic和Hc之下三者缺一不可。任何一个条件遭到破坏，超导状态随即消失。35第35页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三超导电性的T-I-H临界面其只有当超导体同时处于三个临界条件以内，即处于如图所示的三角锥形曲面内侧，才具有超导电性。 IcTcHcITHTc,Ic,Hc临界面36第36页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三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

17、这些临界值以下的状态时才显示超导性，所以临界值越高，实用性就强，利用价值就越高。37第37页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三38第38页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三四、两类超导体的基本特征超导体按磁化特性可以分为二类 第一类超导体的主要特性是，在磁场H到达Hc临界磁场之前，具有完全的导电性和可逆的迈斯纳效应。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。HHc时完全抗磁性；HHc时，超导态转为常导态39第39页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、

18、锌、镓、镉、锡、铟等 ，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作软超导体。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。 40第40页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三(二)第二类超导体这类超导体的主要特征是有两个临界磁场，即下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2，HHc1:零电阻,完全抗磁性,与第一类超导体一样Hc1HHc2: 磁场透入深度增大。仍然具有零电阻，但不具有完全抗磁性。称为混合态。直到H Hc2 ，磁场完全透入超导体内，使其回复到具有正常电阻的常导态。41第41页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三42第42页，共44页，2022年，5月20日，10点25分，星期三第二类超导体和第一类超导体的区别主要在