超导材料的约瑟夫森和超导应用

超导材料的约瑟夫森和超导应用第1页，共126页，2023年，2月20日，星期四第二节内容复习：第二节传统超导电体的超导电性理论第2页，共126页，2023年，2月20日，星期四(1)唯象理论①二流体模型②伦敦方程③金兹堡--朗道理论(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⑤BCS理论第3页，共126页，2023年，2月20日，星期四伦敦第一方程

式中，m是电子质量，Js为超流电流密度，ns是超导电子密度第4页，共126页，2023年，2月20日，星期四伦敦第二方程：结合麦克斯韦方程，可以说明超导体表面的磁感应强度B以指数衰减为零称为磁场穿透深度。第5页，共126页，2023年，2月20日，星期四微观机制同位素效应：随着水银同位素质量的增高，临界温度降低。对实验数据处理后得到原于质量M和临界温度Tc的简单关系：Tc=1/M其中，=0.500.03

同位素效应把晶格与电子联系起来了第6页，共126页，2023年，2月20日，星期四同位素效应表明电子与晶格振动的相互作用可能是主要的相互作用。同位素效应表明晶格振动对超导体，在室温下是出现电阻的原因，同时在低温下，又可能是超导体处于超导态出现零电阻的原因。第7页，共126页，2023年，2月20日，星期四超导能隙第8页，共126页，2023年，2月20日，星期四库柏电子对库柏认为，只要两个电子之间有净的吸引作用，不管这种作用力多么微弱，它们都能形成束缚态。这种吸引作用有可能超过电子之间的库仑排斥作用，而表现为净的相互吸引作用，这样的两个电子被称为库柏电子对从能量上看，组成库柏对的两个电子由于相互作用将导致势能降低。库柏电子对是现代超导理论的基础。第9页，共126页，2023年，2月20日，星期四一般非超导金属状态电子碰撞造成电阻自由电子正电区域带正电原子电子通过造成带正电晶格偏离在超导状态下，由于晶格振动，自由电子通过时造成原子的偏离而产生另一电子的吸引作用晶格偏离区两个电子相互吸引形成库伯电子对第10页，共126页，2023年，2月20日，星期四自由电子经由间接的吸引力结合成库伯电子对，库伯电子对相互也随着晶格振动产生的正负电荷区间依序移动，彼此不在碰撞，也就没有电阻的产生第11页，共126页，2023年，2月20日，星期四

④相干长度皮帕德(A.B.Pippard)证明，当一个电子从金属的正常区移动到超导区时，其波函数不能从它的正常态值突然转变为超导态值，这种转变只能发生在一个距离上，被称为相干长度。简单的说库伯电子对间的距离就是相干长度。第12页，共126页，2023年，2月20日，星期四一般非超导金属状态电子碰撞造成电阻自由电子正电区域带正电原子电子通过造成带正电晶格偏离在超导状态下，由于晶格振动，自由电子通过时造成原子的偏离而产生另一电子的吸引作用晶格偏离区两个电子形成库伯电子对第13页，共126页，2023年，2月20日，星期四可见，实际的库柏对并非局限在非常小的空间里，而是扩展在≈10-6m的空间宽度上，这里

就称为超导态的相干长度，它描述了配对电子间的距离。

相干长度和穿透深度一样，也是超导体的特征参量。下表列举了一些有代表性的超导体的相干长度。第14页，共126页，2023年，2月20日，星期四几种物质在0K下的超导相干长度

第15页，共126页，2023年，2月20日，星期四库伯对的尺寸是相当大的，相干长度实际上就是凝聚成对的电子互相作用距离，也叫BCS相干长度，随超导体而异，一般在103nm的两级。第16页，共126页，2023年，2月20日，星期四⑤BCS理论

美国的巴丁(J．Bardeen)、库柏(LN．Cooper)和施瑞弗(J．R．Schrieffer)在1957年提出了超导电性量子理论，被称为BCS超导微观理论。它可以解释与低温超导相关的各种实验事实，从而获得1972年诺贝尔物理奖。第17页，共126页，2023年，2月20日，星期四BCS超导微观理论的核心是

(1)电子间的相互吸引作用形成的库柏电子对会导致能隙的存在。超导体临界场、热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配对的结果。第18页，共126页，2023年，2月20日，星期四简单的说，在低温（绝对零度）时的正常自由电子，使费米球内的大部分被占据，球外的态全是空着的。如果电声子相互吸引作用，使费米面上一对电子形成库伯电子对并降低总能量，那么将有更多的费米面一下的电子到费米面上去形成库伯对，以降低总能量，这个过程直到平衡为止，绝对零度时，费米面附近电子全部凝聚成库伯对。大量库伯对电子对出现就是超导态的形成。超导态中电子凝聚成库伯对就使他比正常态更有序。第19页，共126页，2023年，2月20日，星期四当温度不是绝对零度时，一部分库伯对就要被拆散，即出现一部分正常电子。温度升高后，更多的库伯对被拆散，凝聚的电子减少，到临界温度时不再有库伯对，全部电子被激发，样品变为正常态。第20页，共126页，2023年，2月20日，星期四

(2)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，它们可以从电阻率来估计，当UN(EF)<<1时，BCS理论预测临界温度为：式中，D为德拜温度。有关Tc的理论结果在定性上满足实验数据。第21页，共126页，2023年，2月20日，星期四另外，从上式中得到这样一个有趣的结论：一种金属如果在室温下具有较高的电阻率(因为室温电阻率是电子--声子相互作用的量度)，冷却时就有更大可能成为超导体。第22页，共126页，2023年，2月20日，星期四

BCS理论可以得到磁通量子化的结论，即，磁通量子的电荷有效单位是2e而不是e。由于BCS基态涉及的是库柏电子对，所以磁通量子化中的电子对电荷2e是BCS理论的一个推论。第23页，共126页，2023年，2月20日，星期四

BCS理论是第一个成功地解释了超导现象的微观理论，也是目前惟一成功的超导微观理论。后来，虽然又有了一些形式上的发展和完善，但基本思想和物理图像则没有更大的改变。第24页，共126页，2023年，2月20日，星期四第三节：约瑟夫森效应－－超导量子隧穿效应

1973年诺贝尔物理学奖一半授予美国纽约州的：约克城高地(YorktownHeights)IBM瓦森研究中心的江崎玲於奈(LeoEsaki)，美国纽约州斯琴奈克塔迪(Schenectady)通用电器公司的贾埃弗(IvarGiaever)，以表彰他们分别在有关半导体和超导体中的隧道现象的实验发现；另一半授予英国剑桥大学的约瑟夫森(BrianJosephson，1940-)，以表彰他对穿过隧道壁垒的超导电流所作的理论预言，特别是关于普遍称为约瑟夫森效应的那些现象。第25页，共126页，2023年，2月20日，星期四第26页，共126页，2023年，2月20日，星期四第三节：约瑟夫森效应－－超导量子隧穿效应「约瑟夫森效应」：在两片超导体中间夹入一片薄薄的绝缘体，在没有外加电压的情况下，仍会有直流电流通过绝缘体，这纯然是古典物理所不容许的量子效应。如果在超导体两端施上一固定电压，则居然会出现交流电流；我们可以从交流电的频率得到非常准确的物理常数。第27页，共126页，2023年，2月20日，星期四宏观量子效应

在经典力学中，若两个空间区域被一个势垒分隔开，则只有粒子具有足够的能量越过势垒时，它才会从一个空间进入另一个空间区域中去。第28页，共126页，2023年，2月20日，星期四在量子力学中，情况却并非如此，粒子要具有足够的能量不再是一个必要条件。一个能量不大的粒子也可能会以一定的几率“穿过”势垒（即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒），这就是所谓的隧道效应。

第29页，共126页，2023年，2月20日，星期四1、正常电子隧道效应

考虑被绝缘体I

隔开的两个金属Ｎ，如下图所示。

绝缘体通常阻挡从一种金属流向另一种金属的传导电子。如果阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的几率穿越绝缘层。第30页，共126页，2023年，2月20日，星期四电子的波函数并不突然下降为零。在势垒中，波函数按指数衰减．如果势垒的厚度d不大，则还没有等到波函数衰减到零就碰到了势垒的右边缘，这时在势垒右方，电于波函数将有一定幅度，因而电子将有一定的几率通过势垒．利用薛定谔方程，可以算出穿透几率。第31页，共126页，2023年，2月20日，星期四当两个金属都处于正常态，夹层结构(或隧道结)的电流--电压曲线在低电压下是欧姆型的，即电流正比于电压，如图所示：第32页，共126页，2023年，2月20日，星期四贾埃弗(I.Giaever)发现，如果金属中的一个变为超导体时，电流--电压的特性曲线会变化如下：第33页，共126页，2023年，2月20日，星期四

2、约瑟夫逊隧道电流效应

上面所述的NIS结和SIS结，其隧道电流都是正常电子穿越势垒。

正常电子导电，通过绝缘介质层的隧道电流是有电阻的。这种情况的绝缘介质厚约几十纳米到几百纳米。第34页，共126页，2023年，2月20日，星期四如果SIS隧道结的绝缘层厚度只有1nm左右，那么理论和实验都证实了将会出现一种新的隧道现象，即库柏电子对的隧道效应，电子对穿过位垒后仍保持着配对状态。第35页，共126页，2023年，2月20日，星期四

电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科——超导电子学。第36页，共126页，2023年，2月20日，星期四

约瑟夫逊在研究电子对通过超导金属间的绝缘层时指出，当两块超导体之间的绝缘层薄至接近原子尺寸(10-20Å)时，超导电子可以穿过绝缘层产生隧道效应，即超导体--绝缘体--超导体这样的超导结

(约瑟夫逊结或SIS结)具有超导性。第37页，共126页，2023年，2月20日，星期四两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为1nm左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显，太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。第38页，共126页，2023年，2月20日，星期四约瑟夫森结第39页，共126页，2023年，2月20日，星期四直流约瑟夫森效应

结两端的电压V＝0时，结中可存在超导电流，它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。第40页，共126页，2023年，2月20日，星期四

交流约瑟夫森效应

：

结两端的直流电压V≠0时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）f与电压V成正比，这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率

第41页，共126页，2023年，2月20日，星期四交流约瑟夫森效应第42页，共126页，2023年，2月20日，星期四物理解释：由BCS理论，库珀对是长程有序的，因此在一块超导体中所有的库珀对具有相同的位相。如果S－I-S结的约瑟夫森电流和磁场的关系所示的两块超导体中间的绝缘层较厚,则两块超导体中电子无关联,各自具有独立的位相φ1和φ2。当绝缘层减小到某一厚度后，两块超导体中的超导电子就以位相差φ＝φ1-φ2联系起来。这时的绝缘层就成为一个"弱"超导体。库珀对可通过这个"弱"超导体而出现超流隧道或电子对隧道效应。第43页，共126页，2023年，2月20日，星期四课后思考题：怎样用超导能隙解释约瑟夫森效应？第44页，共126页，2023年，2月20日，星期四约瑟夫逊效应的应用第45页，共126页，2023年，2月20日，星期四约瑟夫森元件可以应用于一些精密测量。表1约瑟夫森元件用于精密测量时的分辨能力第46页，共126页，2023年，2月20日，星期四约瑟夫森元件可以作用电压标准、磁强计、伏特计、安培计、低温温度计、计算机元件,以及毫米波、亚毫米波的发射源、混频器和探测器等，且有灵敏度高、噪声低、功耗小和响应速度快等一系列优点。现今已发展起以建立极灵敏的电子测量装置为目标的“超导结电子学”，与超导磁体一起成为超导电性的两项重大应用。第47页，共126页，2023年，2月20日，星期四

利用交流约瑟夫森效应来监视电压单位的基准器，已在美国、日本、英国和加拿大立为法定的保持电压基准器的方法。右图是国际计量局所设的约瑟夫森基准室正在工作的情况。第48页，共126页，2023年，2月20日，星期四第四节

超导材料的分类（一）：按使用温度分：低温超导高温超导第49页，共126页，2023年，2月20日，星期四一、低温超导体具有低临界转变温度（Tc＜30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。第50页，共126页，2023年，2月20日，星期四昂纳斯在发现超导现象后，利用Pb制造超导磁体，但未获成功。50年代，用冷加工的纯铌线，绕制了磁场强度为0.6T的超导磁体。第51页，共126页，2023年，2月20日，星期四在超导材料的探索过程中，不能不提及的超导材料是NbTi

和Nb3Sn。Nb3Sn化合物超导材料于1954年由马赛厄斯等人发现，而NbTi合金具有超导电性则于1961年由孔茨勒发现。它们是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用NbTi合金线材绕制一个8T的超导磁体，用Nb3Sn化合物线材绕制一个15T的超导磁体已经不存在任何的技术问题。

第52页，共126页，2023年，2月20日，星期四目前实用的低温合金超导材料主要是NbTi材料，NbTi材料绕制的超导磁体用于“核磁共振成像医疗诊断仪”，这种仪器目前已经广泛使用。第53页，共126页，2023年，2月20日，星期四二、高温超导体寻找高性能的超导材料是世界上最富吸引力的课题之一。第54页，共126页，2023年，2月20日，星期四BCS理论一、电子－声子机制二、是否存在新的机制？第55页，共126页，2023年，2月20日，星期四

是德拜温度

N(EF)是费米面的电子态密度

U是电声子耦合强度（库柏对强度）第56页，共126页，2023年，2月20日，星期四1986年高温超导的发现为现代物理学数十年来最令人兴奋的里程牌。20多年来人们陆续地发现几百余种非金属间以铜氧化合物为基础的高温超导材料，它们的物理、化学性质大大超出了人们的预料。这些材料的超导转变温度都高于1986年发现的23K。了解高温超导现象及此类固体的各种性质已成为固体科学领域中重要的一部分。第57页，共126页，2023年，2月20日，星期四高温超导体（一）高温超导氧化物的特点1、高Tc1、晶体缺陷浓度很高，高温超导体是不稳定或亚稳定的。3、正常态性质不正常：霍尔系数随温度降低单调降低，电阻率随温度的降低而线性降低4、临界温度对杂质含量很敏感第58页，共126页，2023年，2月20日，星期四高温超导的晶体结构214结构：La2CuO4第59页，共126页，2023年，2月20日，星期四第60页，共126页，2023年，2月20日，星期四LaCuOLa2CuO41第61页，共126页，2023年，2月20日，星期四特点：每个晶胞含有两个CuO2平面，并由两层金属－氧离子平面分开。形成：CuO2－LaO－LaO这样的周期堆积。第62页，共126页，2023年，2月20日，星期四123结构－－YBa2Cu3O7Y123是超导转变温度最高的。其基本特征是两个CuO2平面中央有一层Y原子面，居于晶胞中央，两侧是BaO原子面。上下底是含Cu-O链的Cu-O平面。第63页，共126页，2023年，2月20日，星期四第64页，共126页，2023年，2月20日，星期四发现Y123（YBa2Cu3O7）后，进行了大量的元素取代研究，对B位Cu的替代可以得到正交结构，也可以得到四方结构，但是少量的替代都是超导的，可Tc却因为少量的替代而迅速下降。各种稀土元素用来代替A位置的Y，并且是完全的替代，仍形成123结构，除Pr外对Tc影响很小。第65页，共126页，2023年，2月20日，星期四很少超导体具有铜氧化物这么复杂的结构，这些结构是由各种金属－氧组成的原子面堆积而成的。这类复杂堆积本身很有趣，但更重要的是人们目前对氧化物高Tc的超导性质的理解，在很大程度上依赖与它的结构认识。第66页，共126页，2023年，2月20日，星期四124结构和247结构124结构－－YBa2Cu4O8如果把123结构看成是由两个CuO2层夹一层Y和两个BaO层夹一层CuO构成，则在两个BaO层中加一层CuO1＋x就形成了YBa2Cu4O8结构。将123和124两种基元混合周期性地沿c轴堆积，则形成新的Y2Ba4Cu7O15第67页，共126页，2023年，2月20日，星期四（二）今后的发展动向1、基础物理方面高温超导体的不寻常性质显然不仅仅是它高的Tc值，其它性质及各向异性的结构都可追溯到电子与自旋、电于与电子、电子与品、晶格之间强烈的相互作用。其超导性能与正常态不寻常的性能息息相关。要了解高温超导体就必须把这些相互作用以严格完善的理论表达出来。第68页，共126页，2023年，2月20日，星期四虽然多年来的研究带给我们许多系统而精确的实验数据和规律，并让我们能相当准确地预测不同体系的铜氧化合物的超导性质，但目前我们尚未有一个完整的高温超导机理的解释。为什么会存在这些不寻常的规律?如何把不同寻常的正常态和不符合费米液体规律的性质与高温超导性质联系起来?我们的科学知识还很不完整，要提高高温超导树料的Tc值和优化输运性质，或在铜氧化合物之外找到新的超导材料．就迫切地需要找出这些问题的答案。第69页，共126页，2023年，2月20日，星期四高温超导材料和低温超导材料另—个重要区别是，高温超导材料的磁通相图极为复杂，并含有丰富的物理现象。磁通的存在以不同的形态出现，包括固态晶格、玻璃态和液态。而在强的外电磁力影响下，这些态又能做出不问的动态反应，使超导体失去零电阻的特性。这些现象提出了许多新的物理问题，对它们的彻底认识和控制是提高高温超导材料实用价值的一个重要条件。第70页，共126页，2023年，2月20日，星期四第71页，共126页，2023年，2月20日，星期四2、新材料和化学方面新材料研究是高温超导领域里化学工作的核心。合成新材的目标是：提高Tc值，增加材料的稳定性，减少毒性材料的采用和提高各种物理性能，如临界电流密度、钉扎能量和超导凝聚能等。第72页，共126页，2023年，2月20日，星期四3、材料科学和应用方面高温超导体与低温超导还存在三个重要区别：一、前者的输运性质完全依赖与晶格或近似晶格形态的存在。而后者的存在形态确是合金。二、高温超导体不容易作成超导衔接，导致不能保持电流的持久性。破坏了超导线圈应有的稳定性。第73页，共126页，2023年，2月20日，星期四3、由于高温超导的极短的相干长度，加上其原子尺度的缺陷特别多，就产生了电流传导不均匀现象，大大削弱了线材的实际临界电流。第74页，共126页，2023年，2月20日，星期四（三）其它类型超导体

①碱金属掺杂的C60超导体

②有机超导体

③非晶超导材料

④重费米子超导体

⑤金属间化合物(R—T—B—Ｃ)超导体

⑥复合超导材料第75页，共126页，2023年，2月20日，星期四①碱金属掺杂的C60超导体

C60具有极高的稳定性，当C60中掺入碱金属时，人们发现在一些特定成分上可以形成富勒烯结构。通过与各种碱金属原子的结合，AxC60的超导转变温度已经提高到30K以上，超导温度最高RbCs2C60的临界转变温度为33K。第76页，共126页，2023年，2月20日，星期四②有机超导体

第一个被发现的有机超导体是(TMTSF)2PF6，尽管这种有机盐的超导转变温度只有0.9K，但是，它的发现预示了一个新的超导电性研究领域的出现。第77页，共126页，2023年，2月20日，星期四

有机超导体具有低维特性、低电子密度和异常的频率关系，已引起了众多科学家的注意。第78页，共126页，2023年，2月20日，星期四③非晶超导材料

非晶态超导体的研究主要包括非晶态简单金属及其合金和非晶态过渡金属及其合金。它们具有高度均匀性、高强度、耐磨、耐腐蚀等优点。第79页，共126页，2023年，2月20日，星期四非晶态结构的长程无序性对其超导电性的影响很大，能使有些物质的超导转变温度Tc提高，这是由于非晶态超导体与晶态超导体的不同所引起的。

非晶态过渡金属及合金的性质比简单金属更为复杂。第80页，共126页，2023年，2月20日，星期四④重费米子超导体

重费米子超导体是20世纪70年代末期发现的，它的超导转变温度只有0.7K。

第81页，共126页，2023年，2月20日，星期四由于这类超导体的低温电子比热系数非常大，是普通金属的几百甚至几千倍。因此，推断出这类超导体的电子有效质量比自由电子(费米子)的质量重几百甚至几千倍，因此称为重费米子超导体。

重费米子超导体的研究对于超导电机制研究有重大意义。第82页，共126页，2023年，2月20日，星期四⑤金属间化合物(R-T-B-Ｃ)超导体

20世纪70年代，人们发现稀土--过渡元素--硼组成的金属间化合物具有超导电性。这类超导体表现出铁磁性与超导电性共存的复杂现象，因此又称为磁性超导体。第83页，共126页，2023年，2月20日，星期四在金属间化合物(R—T—B—Ｃ)超导体中，以铅钼硫(PbMoS8)的超导转变温度最高。后来人们又制备出YNi4B超导体和YNi2B2C超导体等等，四元素硼碳金属间化合物的超导转变温度达到23K。第84页，共126页，2023年，2月20日，星期四⑥复合超导材料

许多超导体与良导体可以进行复合，进而形成复合超导材料。

复合超导材料可以承载更大的电流、减少退化效应、增加超导的稳定性、提高机械强度和超导性能等。第85页，共126页，2023年，2月20日，星期四

复合超导体有超导电缆、复合线、复合带、超导细线复合线等等，其主要由超导材料以及良导体、填充料、绝缘层以及高强度材料包覆层和屏蔽层六部分组成。第86页，共126页，2023年，2月20日，星期四第五节、超导材料的应用自超导性被发现以后的几十年间，超导转变温度始终没有冲出液氦区，这给工业上的应用蒙上了一层阴影。高温超导材料的出现给超导性的应用带来了新的希望，人们对高温超导体在工业和科学上的应用寄予了厚望，并普遍认为不久的将来高温超导体就会成为新的技术革命的主角，为推动社会经济生产的发展作出重大的贡献。虽然超导材料的应用目前还要克服许多困难，但科学家们仍然相信它在工业上的大规模应用已经为期不远了。持乐观态度的人们预计，超导产业将会创造8000亿美元的巨大市场，

第87页，共126页，2023年，2月20日，星期四

第五节、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：（1）大电流应用（强电应用）；（2）电子学应用（弱电应用）；（3）磁性应用

电性应用第88页，共126页，2023年，2月20日，星期四其中，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；

磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。第89页，共126页，2023年，2月20日，星期四1、超导的大电流（强电）应用

超导材料最诱人的应用是发电、输送电和储能。

超导材料的应用将会在电力工业中引起一场革命。

第90页，共126页，2023年，2月20日，星期四1）输电：常在电力输送过程中，送电、变电、配电等每一步骤都不可避免地存在着电阻，当电流通过导线时相当一部分电能转化成了热量而白白浪费掉了。为了减少能量损失，人们不得不在远距离电力输送过程中一再提高电压。一座座高压输电铁塔威武挺拔地耸立在江河平原、崇山峻岭，确实也给人间平添了几分壮丽的景色，但人类却为此付出了极为昂贵的代价，耗费了难以估计的人力和物力。

第91页，共126页，2023年，2月20日，星期四据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。第92页，共126页，2023年，2月20日，星期四于是大功率无电阻送电就成为人们神话般的梦想，而超导体的出现无疑使这种梦想有可能变为现实。可以利用超导材料制成很细的导线，在无需变电所和变压器等配电设备的情况下，将电直接送到千家万户，真是既安全又省钱，还大大提高了能量的利用率。

第93页，共126页，2023年，2月20日，星期四三个临界参数限制了超导体的应用，直到非理想第二类超导体的发现。但是超导体运行非常不稳定，容易发生“失超”现象：1、外因2、内因第94页，共126页，2023年，2月20日，星期四2)发电由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。第95页，共126页，2023年，2月20日，星期四

超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机等。第96页，共126页，2023年，2月20日，星期四超导发电机

在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。第97页，共126页，2023年，2月20日，星期四

超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。第98页，共126页，2023年，2月20日，星期四磁流体发电机

磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电，是利用高温导电性气体（等离子体）作导体，并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。第99页，共126页，2023年，2月20日，星期四磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。第100页，共126页，2023年，2月20日，星期四超导磁体的优点：1、电流密度比常规磁体高。2、没有焦耳热损耗、3、可以在更大的空间上获得更高的磁场第101页，共126页，2023年，2月20日，星期四

3)超导贮能

超导材料在输送电流时，不会损耗电力，故用它可把作发电机可以做得很小。第102页，共126页，2023年，2月20日，星期四例如一台普通大型发电机需用15~20吨铜丝绕成线圈，如果用超导材料作线圈，只要几百克就够了，而发出的电力却一样。因此，超导材料是一种极好的节能材料和储能材料。第103页，共126页，2023年，2月20日，星期四

1987年，美国国防部为适应“星球大战”的需要，决定建立一个用超导材料储能的蓄电装置。在和平时期可向居民供电，在有导弹袭来时，可为激光武器供电，用激光摧毁导弹。

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因为超导材料没有电阻，它的蓄能效率高，可以回收98％的多余电力，而且反应速度快。一旦需要电力，在0.3秒内就可从超导储能线圈中把电流引出来送到任何电网。这对星球大战时所需电力是非常重要的。第105页，共126页，2023年，2月20日，星期四美国已设计并着手建造一个可以储存500万千瓦小时的巨型圈。它的直径有1568米，储存的电力足以供几十万人口的城市照明用电。第106页，共126页，2023年，2月20日，星期四超导材料之所以能储存电能是因为它没有电阻，只要把电“注入”超导线圈，电流就可以无休止地在线圈中流动也不会有损耗。第107页，共126页，2023年，2月20日，星期四二电子学方面的应用超导体在电子学领域里更是大有用武之地。高温超导体的出现使早已搁浅的超导计算机的研究重新起动；强超导磁体在核磁共振计算机断层诊断装置上的应用，可以使它的分辨率大大提高，能诊断出更早期的癌细胞，以造福于子孙万代；第108页，共126页，2023年，2月20日，星期四超导量子器件不但能探测出埋在地下的矿物，也能探查人脑的高级神经活动，揭开人类大脑思维活动的奥秘；利用超导原理制造的新型红外探测器、超导磁强计、超导重力仪、超导滤波器及各种微波器件，将广泛应用于航空航天事业、地震预报、地质勘探及天文学领域；利用超导体的完全抗磁性可制造新型回旋加速器，把人们的视觉和感观延伸到微观世界深处，揭开物质起源、生命世界的奥秘。

第109页，共126页，2023年，2月20日，星期四1)超导计算机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。第110页，共126页，2023年，2月20日，星期四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。

第111页，共126页，2023年，2月20日，星期四

2)医学：超导材料在医学方面，可以用来制造一种能测量极微小的电压和电流的电子元件，叫做超导量子干涉器件。它可以测量小到100亿亿分之一伏特的电压差和100亿亿分之一安培的电流(每秒仅通过几个电于)，也可以测量小于100万亿分之一特斯拉的磁场(仅相自于地磁场的100亿分之一)。第112页，共126页，2023年，2月20日，星期四由于脑体和心脏细胞有病变时会改变脑电流和心电流信号，因此可用超导量子干涉器件诊断心脏和脑部的疾病。磁脑照相术就是利用超导量子器件的这一性能，它可以检测出稍大于10万亿分之一特拉斯的脑电信号，并能确定几毫米范围内的神经信号源。因此，超导材料在医学上被称作诊断疾病的“神医”。第113页，共126页，2023年，2月20日，星期四三超导磁体的应用1)超导磁悬浮列车

在交通运输业中，如何提高列车运行的速度一直是世界各国密切关注的重要问题。特别是随着社会的发展和交往的日益频繁，如何解决交通堵塞的问题就变得更迫切和重要。由于车轮和铁轨之间不可避免的摩擦力，骑在铁轨上的火车的运行速度很难大幅度提高。第114页，共126页，2023