材料的超導(dǎo)電性

1、LOGO材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性 20114620105 王娟王娟材料的超導(dǎo)電性材料的超導(dǎo)電性目錄目錄定義定義特性特性性能指性能指標(biāo)標(biāo)科學(xué)研科學(xué)研究究應(yīng)用應(yīng)用一一.超導(dǎo)電性的定義超導(dǎo)電性的定義什么是材料的超導(dǎo)電性呢？什么是材料的超導(dǎo)電性呢？材料在一定的低溫下突然材料在一定的低溫下突然失去電失去電阻阻的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性超導(dǎo)電性。當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到臨界溫度臨界溫度之下之下時，表現(xiàn)出時，表現(xiàn)出零電阻零電阻并且并且抵御磁場抵御磁場穿穿過。溫度高于臨界，又回到常態(tài)。過。溫度高于臨界，又回到常態(tài)。二二.超導(dǎo)體的特性超導(dǎo)體的特性零電阻零電阻特性特性抗磁性抗磁性同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)

2、1.零電阻零電阻RealityIdentityCreativity超導(dǎo)材料處于超超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時導(dǎo)態(tài)時電阻為零電阻為零，能，能夠無損耗地傳輸電能。夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)如果用磁場在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫一電流可以毫不衰減不衰減地維持下去。這種地維持下去。這種“持持續(xù)電流續(xù)電流”已多次在實驗已多次在實驗中觀察到。中觀察到。2.抗磁性抗磁性超導(dǎo)體的另一個特性是完全抗完全抗磁性磁性，即處于超導(dǎo)狀態(tài)的材料，即處于超導(dǎo)狀態(tài)的材料，磁磁感應(yīng)強度感應(yīng)強度B始終為零始終為零，也稱邁斯納（Melssner)效應(yīng)。因此，超導(dǎo)體具有屏蔽磁場屏蔽磁場和排除磁通排除磁

3、通的性能。3.同位素效應(yīng)同位素效應(yīng)超導(dǎo)體的臨界溫度臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，越大，Tc越低越低，這稱為同位素效應(yīng)。同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開。三三.超導(dǎo)體的三個性能指標(biāo)超導(dǎo)體的三個性能指標(biāo)2.臨界磁場臨界磁場1.臨界溫度臨界溫度20032004 3.臨界電流臨界電流（臨界電流密度）（臨界電流密度）1.臨界溫度臨界溫度- ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guil

4、d Design Inc.外磁場為零時超導(dǎo)材料由正常外磁場為零時超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閼B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)(或相反或相反)的溫度，的溫度，以以Tc表示。表示。Tc值因材料不同而異。值因材料不同而異。已測得超導(dǎo)材料的最低已測得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，是鎢，為為0.012K。到。到1987年，臨界溫度年，臨界溫度最高值已提高到最高值已提高到100K左右。左右。2.臨界磁場臨界磁場使超導(dǎo)材料的使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)破破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場強度，以場強度，以Hc表示。表示。Hc與與溫度溫度T 的關(guān)系為的關(guān)系為Hc=H01-(T/Tc)2，式中，式中H0為為0K時時的臨界

5、磁場。的臨界磁場。3.臨臨界電流和臨臨界電流度密界電流和臨臨界電流度密Click to add TitleClick to add Title通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一通過超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值會使超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)槎〝?shù)值會使超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以正常態(tài)，以Ic表示。表示。臨界電流臨界電流I一般隨溫度和外磁場的增加一般隨溫度和外磁場的增加而減少而減少。單位截面積所承載的。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以稱為臨界電流密度，以Jc表示。表示。超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用條件超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用條件，尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的

6、重要課題。以的重要課題。以Tc為例，從為例，從1911年荷蘭物年荷蘭物理學(xué)家理學(xué)家H.開默林昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性起，開默林昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性起，直到直到1986年物理學(xué)家年物理學(xué)家K.A.米勒和聯(lián)邦德國米勒和聯(lián)邦德國物理學(xué)家物理學(xué)家J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物氧化物陶瓷材料陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將的超導(dǎo)電性，從而將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。這種突破為超導(dǎo)右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開辟了材料的應(yīng)用開辟了廣闊的前景，廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨因此榮米勒和貝德諾爾茨因此榮獲獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎

7、。四四.超導(dǎo)體的分類超導(dǎo)體的分類合金合金材料材料超導(dǎo)超導(dǎo)元素元素超導(dǎo)超導(dǎo)化合物化合物超導(dǎo)材料按其超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分化學(xué)成分可分為可分為：1.超導(dǎo)元素超導(dǎo)元素在常壓下有在常壓下有28種元素種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的的Tc最高，為最高，為9.26K。電工中。電工中實際應(yīng)用的主要是鈮和鉛實際應(yīng)用的主要是鈮和鉛（Pb，Tc=7.201K），已用），已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高高Q值諧振腔等。值諧振腔等。2.合金超導(dǎo)材料合金超導(dǎo)材料 超導(dǎo)元素加入某些其他元素超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分，作合金成分， 可以使超導(dǎo)材料的可以使超導(dǎo)材料的全部全部性

8、能提高性能提高。如最先應(yīng)用的。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金鈮鋯合金（Nb-75Zr），其），其Tc為為10.8K，Hc為為8.7特。特。 Content Title 繼后發(fā)展了繼后發(fā)展了鈮鈦合金鈮鈦合金，雖然雖然Tc稍低了些，但稍低了些，但Hc高得多，高得多，在給定磁場能承載更大電流。在給定磁場能承載更大電流。其性能是其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc11.0特；特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特（特（4.2K）。）。目前鈮鈦合金是用于目前鈮鈦合金是用于78特磁特磁場下的主要超導(dǎo)磁體材料。場下的主要超導(dǎo)磁體材料。鈮鈦合金鈮鈦合金再加入再加入鉭鉭的三的三元合金，性能進(jìn)一步提高，元

9、合金，性能進(jìn)一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，的性能是，Tc9.9K，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。超導(dǎo)元素與其他元素化合超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的量使用的Nb3Sn，其，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。特。3.超導(dǎo)化合物超導(dǎo)化合物例如：例如：超導(dǎo)陶瓷超導(dǎo)陶瓷：20世紀(jì)世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾

10、茨開始注意年代初，米勒和貝德諾爾茨開始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性性.中國、美國、日本等國科學(xué)家在中國、美國、日本等國科學(xué)家在鋇釔銅氧化物鋇釔銅氧化物中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)Tc處于處于液氮液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。Title in hereTitle in here主要研究混合態(tài)區(qū)域的主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運動的機理，不磁通線運動的機理，不可逆性質(zhì)、起因及其與可逆性質(zhì)、起因及其與磁場和溫度的關(guān)系，臨磁場和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場和溫界電流密度與磁場和溫度的依賴關(guān)系及各

11、向異度的依賴關(guān)系及各向異性。性。 五五.超導(dǎo)電性的科學(xué)研究超導(dǎo)電性的科學(xué)研究非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動力學(xué)和超導(dǎo)機理非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動力學(xué)和超導(dǎo)機理超導(dǎo)機理研究側(cè)重于研超導(dǎo)機理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強磁場下的磁阻、究正常態(tài)在強磁場下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費米霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費米面的性質(zhì)以及面的性質(zhì)以及TTc時用強磁時用強磁場破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時的場破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時的輸運性質(zhì)等。輸運性質(zhì)等。對有望表現(xiàn)出對有望表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)高溫超導(dǎo)電性電性的體系象的體系象有機超導(dǎo)體有機超導(dǎo)體等以及在強電方面具有廣闊應(yīng)等以及在強電方面具有廣闊應(yīng)用前景的用前景的低溫超導(dǎo)體低溫超導(dǎo)體等，也等，也將開展其在強磁場下

12、的性質(zhì)研將開展其在強磁場下的性質(zhì)研究。究。六六.超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)體的應(yīng)用20042006中國北京大學(xué)成功地用液氮中國北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮磁懸浮實驗。美國華實驗。美國華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超的超導(dǎo)跡象。鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)導(dǎo)跡象。鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在瓷材料在14溫度下存在超導(dǎo)溫度下存在超導(dǎo)跡象。跡象。高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體的巨大突破，以的巨大突破，以液態(tài)氮液態(tài)氮代替代替液態(tài)氦液態(tài)氦作超導(dǎo)制冷作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使超導(dǎo)技術(shù)走向劑獲得超導(dǎo)體，使

13、超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。氮是空氣的主大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機的要成分，液氮制冷機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，所以液氮的價格實際僅相當(dāng)于液氦的價格實際僅相當(dāng)于液氦的1/100。液氮制冷液氮制冷設(shè)備簡單，設(shè)備簡單，因此，現(xiàn)有的因此，現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體雖然還必須用雖然還必須用液氮冷卻液氮冷卻，但卻被認(rèn)為是但卻被認(rèn)為是20世紀(jì)科學(xué)上世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。超導(dǎo)材料具有的超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異優(yōu)異特性特性向人類展示了誘人的向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實際應(yīng)用超應(yīng)用前景。但要實際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的導(dǎo)材料又受到一

14、系列因素的制約制約，這首先是它的，這首先是它的臨界臨界參量參量，其次還有材料制作的，其次還有材料制作的工藝工藝等問題（例如等問題（例如脆性脆性的超的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問就有一系列工藝問題。）題。）超導(dǎo)材料的超導(dǎo)材料的應(yīng)用應(yīng)用主要有：主要有： 利用材料的超導(dǎo)電性可制作利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁磁體體，應(yīng)用于電機、高能粒子加速器、，應(yīng)用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能磁懸浮運輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲能等；可制作等；可制作電力電纜電力電纜，用于大容量，用于大容量輸電（功率可達(dá)輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可）；可制作制作通信電纜和天線通信電纜和天線，其性能優(yōu)，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。于常規(guī)材料。.利用材