3.3 超导材料解析
超导材料概念
超导材料概念超导材料是指在特定条件下，电阻突然降为零的材料。
这种神奇的现象在科学研究和工程应用中具有广泛的应用前景。
超导材料的发现和研究是近代物理学的一个重要成果，也是材料科学和工程学领域的一个热点。
本文将从超导材料的基本概念、发现历程、物理机制、应用前景等方面进行详细介绍和分析。
一、超导材料的基本概念超导材料是指在低温、高压、强磁场等条件下，电阻突然降为零的材料。
这种现象是在1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现的。
他在将汞冷却到近绝对零度时，发现汞的电阻突然降为零。
这种现象被称为超导现象。
在随后的研究中，人们发现不仅是汞，其他金属、合金和化合物也具有超导性。
目前已经发现的超导材料种类很多，包括铜氧化物、铁基超导体、镁二硼等。
超导材料具有独特的物理性质，如零电阻、零磁场、激发态等。
这些性质使得超导材料在电力输送、电子学、磁学、量子计算等领域具有广泛应用前景。
例如，超导电缆可以大大提高电力输送效率，减少能源浪费；超导磁体可以产生极强的磁场，用于医学成像、磁悬浮列车等领域；超导量子比特可以用于量子计算，实现超高速计算等。
二、超导材料的发现历程超导材料的发现历程可以追溯到19世纪末期。
当时，人们已经知道了电阻的存在和电流的磁效应。
在1895年，荷兰物理学家洛伦兹提出了电动力学方程，揭示了电流和磁场之间的关系。
这为超导现象的发现奠定了理论基础。
1908年，英国物理学家奥本海默首次提出了“超导”这个概念，指的是在某些条件下，电阻可能会降为零。
随后，荷兰物理学家卡末林在1911年通过实验证实了这一理论。
他将汞冷却到4.2K 以下，发现汞的电阻突然降为零，而且磁场也会被完全排斥，这就是超导现象。
这个发现引起了广泛的关注和研究。
在随后的几十年里，人们陆续发现了铝、铅、锡等金属和合金也具有超导性。
然而，这些材料只能在极低温度下才能表现出超导性，限制了其实际应用。
直到1986年，美国IBM研究团队发现了第一种高温超导体——氧化铜。
超导材料是什么
超导材料是什么超导材料是指在低温下具有零电阻和迈斯纳效应的一类特殊材料。
超导材料在电流通过时能够完全消除电阻，使电流能够无损耗地流过，这一特性被称为超导性。
这使超导材料在电力输送、能源存储、磁共振成像等领域具有广泛的应用前景。
超导材料最早于1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现。
基于铅的材料是最早被发现具有超导性的材料。
然而，这类超导材料需要在非常低的温度下（接近绝对零度）才能展现出超导特性，限制了其实际应用的范围。
直到1986年，德国物理学家J·G·鲍尔汤和瑞士物理学家K·A·穆勒在氧化铜材料中发现了高温超导现象，即超导转变温度高于液氮沸点77K，使超导材料的实际应用前景大大扩展。
随后，人们陆续发现了多种高温超导材料，如铜氧化物、铁基超导体等。
超导材料主要具有以下特点：1. 零电阻：在超导状态下，电阻消失，电流可无损耗地通过。
这种特性使超导材料在电能输送领域有巨大应用潜力，能够显著减少能源损耗。
2. 迈斯纳效应：超导体中的电流不仅可以无损耗地流过，还能形成与电流方向垂直的磁场。
这一现象被称为迈斯纳效应，可用于磁体制造、磁共振成像等领域。
3. 超导转变温度：超导材料在一定的温度下会由非超导态转变为超导态。
低温超导体的转变温度通常较低，而高温超导体的转变温度可以接近或超过液氮沸点，更易于实际应用。
4. 磁场限制：在外加磁场作用下，超导材料的超导特性会受到限制。
不同材料对磁场的限制程度不同，这也对其应用领域产生了影响。
超导材料的研究和应用存在一些挑战。
其中最主要的是超导材料通常需要在极低的温度下才能展现出超导性，这对设备和工艺提出了要求。
此外，高温超导体的机制和性质仍然不完全清楚，对其进行深入研究仍然是一个重要课题。
然而，随着超导材料的不断研究和发展，人们对超导技术的应用前景充满信心。
超导磁体已广泛应用于核磁共振成像、加速器、磁悬浮交通等领域。
超导输电技术也在快速发展，预计超导材料将在未来成为电力输送和能源存储的重要组成部分。
超导材料的结构与特性分析
超导材料的结构与特性分析超导材料是指在低温下电阻为零的材料。
在超导体中，电子会以无阻力的方式流动，因此电流可以在其中流动无限长的时间。
这使超导材料在许多领域中具有重要应用，例如在MRI医疗成像和在电力输送中节省能源。
本文将介绍超导材料的结构与特性，帮助读者了解这种材料的基本原理和应用。
1. 超导材料的结构超导材料的结构可以分为两类：金属超导体和氧化物超导体。
1.1 金属超导体金属超导体是由固态金属制成的。
这种材料在超过临界温度时表现出金属性质，而在低于临界温度时表现出超导性质。
金属超导体的晶体结构类似于钻石结构，其中原子按照一定的规则排列。
金属超导体的临界温度通常较低，一般在个位数经ˍơ。
1.2 氧化物超导体氧化物超导体是由氧化物构成的复杂结构材料。
这种材料通常具有复杂的晶体结构，由于原子之间的相互作用而表现出超导性质。
例如，一种氧化物超导体是由铜、氧和铁组成的，其晶体结构非常复杂，并且原子之间形成了许多不同的结构。
氧化物超导体的临界温度通常较高，可以达到数十开尔文。
2. 超导材料的特性超导材料具有许多独特的特性，这些特性是当今科学和工程中广泛应用超导材料的重要原因之一。
以下是超导材料的一些主要特性。
2.1 零电阻超导材料不会在流动电流时损失能量，即电阻为零。
这意味着电流可以在其中流动无限长的时间，因此超导材料被广泛用于需要高电流密度的应用，例如电动汽车和磁共振成像。
2.2 磁通排斥超导材料对磁场表现出强烈的反抗力。
当材料降至超导状态时，它对磁场形成了一种称为磁流体的排斥力，这意味着磁通不能穿透材料。
这种特性使超导材料适用于制造高磁场强度的磁体，例如MRI扫描器和核磁共振仪。
2.3 超导泄漏材料的超导状态不是永久的，当磁场密度超过材料能承受的临界值时，它将失去超导性。
这种现象称为超导泄漏，它限制了超导材料在强磁场应用中的使用。
2.4 临界温度超导材料的临界温度是指材料必须降至的温度，以便表现出超导性质。
材料化学：超导材料和超导现象
4、超导材料的种类
按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合 物超导体，有机高分子超导体三类。除碱金属、碱土金 属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元素都具有超导 性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金 及化合物。组成可以是全为超导元素，也可以部分为超 导元素，部分为非超导元素。有机高分子超导体主要是 非碳高分子(SN)X。
C.J. Gorter及H. B. Casimir提出二流體模型解釋超導現象 ，說明超導體內的電子分超導電子和常超導電子兩種。
F. London及H. London由二流體模式提出所謂London model， 解釋梅氏效應，定義穿透深度 (penetration depth)為超導體 的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深 度範圍內，磁力線密度呈現指數衰減。
迈斯纳效应，不管过渡到超导态的途径如何，只要 T<TC,超导体内的磁感应强度B总是为零，即具有 完全抗磁性。产生迈斯纳效应原因是产生抗磁电流， 抗磁电流的磁场总是与外磁场大小相等方向相反。 抗磁电流也叫屏蔽电流，是一种持久电流。
观察迈斯纳效应的磁悬浮试验
在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于 锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘 然升起，升至一定距离后，便悬空不动 了，这是由于锡盘处于超导态时，感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了 排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小， 当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时， 就悬浮不动了。
Discovery of High Temperature Superconductors (HTS) 高温超导 发现的历史
Could it be you?
HTS (still ~ -150-200℃)
Air = 78% N2
1987朱經武(C.W.Chu),吳茂昆(M.K.Wu) discovered YBaCuO with Tc > 77K
超导材料的性质及应用
超导材料的性质及应用超导材料是指在特定条件下，电阻为零的材料。
超导材料最初在1911年被发现，这个发现被看做电子运输的一个新分支。
在那之后的一百多年中，人们对超导材料的性质和应用进行了深入的研究。
现在，超导材料的应用领域已经相当广泛，包括在军事、医学和科学领域的各种应用。
超导现象是指在超导材料的温度达到一定程度（依赖于材料）时，它的电阻几乎降到了零，并且它的电导变得很高。
这个现象似乎与材料的化学成分、结晶类型和形态有关，但研究人员对此还没有完全理解。
超导材料有很多独特的性质。
首先是它们的超导电性。
当超导材料的温度降低到超导转变温度以下，它的电阻会降到零，同时，它的电流比正常情况下传输的电流更强。
这意味着超导材料可以用来传输高电流，而且不会损失能量。
其次是超导材料的磁性。
当超导材料处于超导状态时，它可以完全吸收磁场。
这意味着超导材料可以用来制造超强的永磁体，而且它们对电磁脉冲等干扰也比较抵抗。
超导材料的磁性使得它们在医学设备、电力系统和计算机硬盘等领域得到广泛应用。
超导材料的第三个独特性质是热电子性能。
研究表明，超导材料的电子有较高的能量密度，因此可以在高速运动状态下传输和处理电子信息。
这些属性使得超导材料在高速计算和通信中得到了广泛应用。
超导材料在各种应用领域中得到了广泛应用。
医学行业利用超导磁性侦测技术来制造MRI（核磁共振）扫描仪，这些仪器能够高度诊断人体的内部结构。
除了医学领域之外，超导材料也在电力传输和计算机硬盘等领域被广泛使用。
此外，超导材料还可以在飞行器上用作裸露的导电材料，因为它们不会在高强度电磁脉冲中受到损害。
总之，超导材料的性质和应用广泛。
虽然我们对它们的工作原理尚不完全理解，但它们已经在许多领域中发挥了巨大作用。
未来，随着对这些材料研究的不断深化，我们有理由相信它们的应用会不断地得到扩展和改进。
超导材料的研究与应用
超导材料的研究与应用超导材料是指在低温条件下表现出电阻为零的物质，具有极高的电导率和磁通排斥性能。
超导材料的研究和应用一直是物理学和材料科学的热点领域之一。
本文将介绍超导材料的基本原理、研究方法和应用情况。
一、超导材料的基本原理超导材料的基本原理可从两个方面来解释，即电子配对和电子与晶格的相互作用。
首先是电子配对。
根据国际能源机构的定义，超导性是指在临界温度以下，电子能够按照某种机制形成电子对。
这些电子对中的电子以库珀对的方式配对，通过与晶格的振动相互作用来克服库伦排斥力，从而实现电子的整体流动，即形成超导态。
其次是电子与晶格的相互作用。
晶格振动通过电子与晶格的相互作用来提供电子之间的吸引力。
当温度降低时，晶格振动减小，电子与晶格的相互作用增强，从而促进电子配对的形成。
二、超导材料的研究方法在超导材料的研究过程中，科学家采用了多种方法和技术来进行实验和分析。
以下是一些常用的研究方法：1. 磁化率测量：通过测量材料的磁化率，可以确定其超导转变温度。
当温度低于临界温度，材料的磁化率会显著变化。
2. 电阻测量：电阻是判断材料是否超导的重要参数。
通过测量材料的电阻随温度的变化情况，可以确定超导转变温度和超导态的性质。
3. X射线衍射：通过研究超导材料的晶体结构，可以了解其晶格的变化和电子与晶格的相互作用。
4. 超导磁体实验：利用超导材料的超导性能可以制造强磁场。
科学家可以设计和制造超导磁体，并通过对其性能的研究来探索超导材料的物理性质。
三、超导材料的应用超导材料在多个领域都有广泛的应用，下面列举一些常见的应用：1. 超导电缆和输电线：利用超导材料的低电阻特性，可以生产高能效的输电线路和电缆，减少能源传输过程中的能量损耗。
2. 储能技术：超导材料可以用于储存和释放电能，提高能源利用效率。
超导磁能储存技术可以实现大规模储能，用于平衡电网的负荷变化。
3. 磁共振成像：超导材料的超导性能可以用于医学磁共振成像技术，在医学诊断中起到重要作用。
超导材料
超导材料当电流通过金属时，金属会发热。
用熔点高的金属丝制成的电热原件，当有电流通过时，电能将转换为热能，从而获得高温。
Ni、Cr；Ni、Cr、Fe；Ni、Cr、Al等合金以及W、Mo、Pt等金属确实是常用的电热元件材料。
电流通过金属〔或合金〕而使金属发热是由于金属内部存在着电阻，电阻具有阻碍电流通过的性质。
人们早道，金属的电阻随温度的升高而增大，电阻的增大反过来又促进金属的发热，如此恶性循环，用金属导线送电时，传输的电流因而受到限制，如铜导线在自然冷却的条件下，同意通过的最大电流密度为2～6A ／mm2；电流再大，会因发热过多而有烧坏导线的危险。
金属的这一弱点，促使人们去研究低温时金属电阻的变化。
金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。
20世纪初，科学家发明汞冷却到低于4.2K时，电阻突然消逝，导电性几乎是无限大的，当外加磁场接近固态汞随后又撤去后，电磁感应产生的电流会在金属汞内部长久地流动而可不能衰减，这种现象称为超导现象。
具有超导性质的物体称为超导体。
超导体电阻突然消逝的温度称为临界温度〔Tc)。
在临界温度以下时，超导体的电阻为零，也确实是电流在超导体中通过时没有任何损失。
超导体的最突出的性质是它们处于超导状态时，材料内部的电阻为零，电流通过时不发热，每平方毫米同意通过的电流可达到数万安培。
超导体的另一性质确实是将超导体放入磁场中，超导体内部产生的磁感应强度为零，具有完全的抗磁性。
目前，已发明近30种元素的单质，8000多种化合物和合金具有超导性能。
超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类。
具有最高临界温度〔Tc〕的纯金属是镧，Tc=12.5K；合金型目前要紧有银钛合金，Tc=9.5K；化合物型要紧有银三锡，Tc=18.3K；钒三镓，Tc=16.5K。
1986年以来，高温超导体的研究取得了重大突破。
1987年发明，在氧化物超导材料中有的在240K出现超导迹象。
由镧、锶、铜和氧组成的陶瓷材料在287K 的室温下存在超导现象，这为超导材料的应用开辟了广阔的前景。
材料物理性能第十三章---超导材料(1)
1911年LK.Onners发现了超导电性后，人们一 直在努力寻找更高临界温度的超导体。1986 年J.G.Bednorz和K.A.Mller发现了高温氧化物 超导体在35K下的超导现象，随后在短短十年 间临界温度提高到了160K，这个温度是在丰 富而廉价的液氮的沸点(77K)以上，因而被称 为高温超导，它使超导性的应用变为现实， 从此超导体在全世界范围内引起公众、政府 的极大关注。各国众多科学工作者都参与了 超导研究工作，人们期望着高温超导体的发 展与应用最终会给社会带来巨大的技术与变 革。
第十三章 超导材料
某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产 生零电阻率和排斥磁场的能力，这种现象被 称为超导电性，该类材料称为超导体或超导 材料。电力设备采用该类材料后，可以具有 传统设备根本无法达到的技术及经济效益； 有利于设备的小型化、轻量化及高效化；能 抑制大电网的短路电流；可解决远距离、大 容量输电的稳定性问题；能提高高密度输电 的可靠性等等。
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正常电子穿越势垒，隧道电流是有电阻 的，但如果绝缘介质的厚度只有1纳米 时，则将会出现新的隧道现象，即库柏 电子对的隧道效应，电子对穿越势垒后 仍保持着配对状态。这就是约瑟夫隧道 效应。在不加任何外电场时，有直流电 流通过结，这就是直流约瑟夫效应。
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当外加一直流电压时，结可以产生单粒 子隧道效应，结区将产生一个射频电流， 结将以同样的频率向外辐射电磁波，这 就是交流约瑟夫效应，即在结的两端施 加电压能使得结产生交变电流和辐射电 磁波；对节进行微波辐照，则结的两端 将产生一定电压的叠加。
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2.1.2 超导合金及超导化合物
超导合金或化合物在技术上有重要价值，它 们大多是第二类超导体，具有较高的临界温 度和特别高的临界磁场和临界电流密度，超 导合金具有塑性好，易于大量生产、成本低 等优点。 Nb-Ti合金是实用超导线材的主流，其Tc随成 分变化，Ti含量增加，强磁场的特Байду номын сангаас提高。 Nb-Ti合金价格低廉，机械性能优良，易于加 工，但不宜制成扁线，因为Nb-Ti合金有显著 的各项异性。
超导材料的工作原理
超导材料的工作原理超导材料是一种具有极低电阻和完全排斥磁场的材料。
超导现象是一种在低温下出现的量子现象，它基于电子之间形成的库伦配对和库伦势能的减小。
超导现象的发现和理解对于物理学和工程学领域都具有重要意义。
一、超导现象的发现超导现象的发现可以追溯到1911年。
当时，荷兰物理学家海克·卡曼斯和海尔曼·奥尼斯发现，在低温下，汞的电阻突然减为零。
这一发现引起了科学界的广泛兴趣，并催生了对超导现象的深入研究。
二、超导材料的特性超导材料具有以下几个显著的特性：1. 零电阻：超导材料在超导状态下具有极低的电阻，电流可以在其中自由流动，而无需消耗能量。
这使得超导材料在能量传输和电路应用方面具有巨大优势。
2. 完全磁场排斥：超导材料在超导状态下表现出完全排斥磁场的特性，这被称为迈斯纳效应。
超导材料能够将磁场完全从其内部排斥，在磁场边界处形成一个磁屏蔽区域，这对于磁场应用和磁悬浮技术具有重要作用。
3. 战斗击退：当超导体受到足够大的磁场时，它会失去超导态，并逐渐恢复到正常导体状态。
这种现象被称为战斗击退，其机制与超导材料内部电流的分布和磁场对电子配对的影响有关。
三、超导材料的工作原理涉及两个重要的概念：库伦配对和库伦势能的减小。
1. 库伦配对：在超导材料中，电子通过相互吸引形成成对的状态，这种成对的电子被称为库伦配对。
这种形成配对状态的机制是由电子-声子相互作用引起的。
声子是晶格振动的量子，它能够在超导材料中传递电子之间的相互作用。
2. 库伦势能的减小：在超导材料中，由于配对电子的自旋和动量是互补的，电子之间的静电库伦势能会减小。
这种减小导致了超导材料电子对的稳定存在。
在超导材料中，减小的库伦势能超过了与电子散射和能量分散相关的耗散效应，电子对可以在整个材料中自由移动，从而导致了零电阻的现象。
四、超导材料的应用超导材料的广泛应用涵盖了多个领域，包括能源传输、电力设备、医学成像和科学研究等。
1. 能源传输：由于超导材料具有零电阻的特性，其用于电力传输可以大大减少能量损耗和传输过程中的电流损失。
超导的原理与应用
超导材料的基本磁性特点1. 超导材料1.1超导材料的发现及简介1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯（Kamerlingh Onnes）的指导下，经过长期的努力，首次将氨液化，获得了4.2K的低温。
随后在1911年，他在研究水银的低温电阻随温度的变化时发现水银的电阻R在4.2K附近突然降到了零。
如图1-1所示。
昂纳斯把这种电阻突然消失的状态称之为超导态。
此后，他们又发现其他许多金属也具有超导现象，他们把这种能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材料，也叫做超导体。
很多物质都是超导材料。
在元素周期表中，常压下具有超导电性的就有26个，如：Pb、In、Sn、Al、N b、V、Ta等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：Ge、Si等（见附表1-1）。
表1.1-1超导合金和超导化合物的转变温度除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。
超导合金以PbIn、NbTi为代表，超导化合物以N b Sn、3V G a为代表。
3他们的Tc见表 1.1-1。
迄今为止，具有超导性的元素、化合物以有数千种。
特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使超导体的类属增加了成千上万个，表1.1-2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其Tc。
表1.1-2 高温氧化物超导体的超导转变温度2. 超导材料的基本磁性特点2.1临界磁场现以一圆柱形（长度比直径大的多，可近似的看为无限长）超导体为例。
降低温度到Tc以下，再加一与圆柱体平行的外磁场。
实验表明，在低于样品Tc的任一确定温度下，当外加磁场强度H小于某一确定数值Hc时，超导体具有零电阻。
当H大于Hc时，电阻突然出现超导态被破坏而转变为正常态。
我们称Hc为超导体的临界磁场。
临界磁场是温度的函数，记为()Hc T。
临界磁场是标志一超导体性质的重要物理量，不同超导体的Hc-T曲线都可近似的用下列公式表示2=-(2.1-1)H c T H c T T c()(0)[1(/)]其中(0)H c是T= 0K时超导体的临界磁场（通常记为H0）。
超导材料的特征、发展及其应用
超导材料的特性、发展及其应用1.超导材料简介1.1 超导材料的三个基本参量超导材料是指在一定的低温条件下会呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料，其材料具有三个基本临界参量，分别是：1> 临界温度T c：破坏超导所需的最低温度。
T c是物质常数，同一种材料在相同条件下有确定的值。
T c值因材料而异，已测得超导材料T c值最低的是钨，为0.012K。
当温度在T c 以上时，超导材料具有有限的电阻值，我们称其处于正常态；当温度在T c以下时，超导体进入零电阻状态，即超导态。
2> 临界电流I c和临界电流密度J c：临界电流即破坏超导所需的最小电流，I c一般随温度和外磁场的增加而减少。
单位截面积上所承载的I c称为临界电流密度，用J c来表示。
3> 临界磁场H c：即破坏超导状态所需的最小磁场。
图1-1 位于球内的部分为超导状态超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。
以T c为例，从1911年荷兰物理学家昂纳斯发现超导电性(Hg，T c=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的T c才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。
1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将T c提高到35K；之后仅一年时间，新材料的T c已提高到了100K左右。
如今，超导材料的T c最高已超过了150K[1]。
1.2 超导体的分类第Ⅰ类超导体：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、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”。
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。
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[2]。
第Ⅱ类超导体：除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。
超导材料发展历程及现行理论解释与应用.pptx
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发展历程
• 1911年，荷兰科学家H. K. Ones 利用低温技术研究金属的电阻特性时发现Hg在温度 低至4.2K时电阻降为零。后人把这种状态叫超导态。并把电阻突然降为零的温度 称为临界温度，记为Tc。
• 但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。 人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4.2K提高到铌 三锗的23．22K，才提高了19K,科学家们用乌龟来形容这个程度。
• 一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导 致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致 的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是 “库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持 “步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总 动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是 超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。
• （3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时， 超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。
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实验检验
为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一 个铅制圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间， 利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果 发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16 日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间 内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电 能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由 超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大， 感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持 久电流实验。
的崔田教授组在“传统
高温超导体”的研究上
超导材料介绍PPT课件
赵忠贤
陈立泉
锶镧铜氧(1987年初，48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，
铋系超导体
第8页
二、超导电性的基本特征
Zero Resistance -
Meissner Effect -
Critical Properties
Josephson Effects Tunnelling
No Power Loss Act as Magnet - Tc, Jc, Hc - Electron
2.迈斯纳效应
超导体排斥力使永久磁环悬浮
处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特 征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。
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超导态为什么会出现完全抗磁性呢？
外磁场在试样表面产生感应电流（b）。此电流所经路径电阻 为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相 反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外 磁场从超导体内挤出（c），故称磁抗感应电流，又因其能起 着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。
昂内斯(中间白衣者)在他 所创立的低温实验室内
In Sn Pb
90.2K 77.3K 4.2/1.7K 4.15K 3.4K 3.7K 7.2K
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1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论 (BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性 作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体 的研究与应用。
种稀土元素。至少有十种稀土元素可以用来合成这个家族的超导态。这 个化学分子式中含两个（R，Ba）类原子，一个Cu原子，4个氧原子， 所以被称为214结构。在晶格中，R和Ba的位置是等价的，所以这里把 它们看作一类原子。由于一般地讲，在晶格中存在着氧原子少缺，所以 在分子式中写成O4-x。这个家族的超导转变温度约为36K。
超导材料解析PPT教学课件
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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。
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二 超导基本原理
• 二流体模型
·BCS理论
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二流体模型
比热：
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，电子在金属内共有
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。
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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。
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BCS超导微观理论
1. 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，
2. 当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。
3. 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。
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机理解释
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。
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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
4.
5. 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。
超导材料
材料类型
01 技术原理
03 科学研究 05 应用领域
目录
02 主要产品 04 发展历史 06 研发产品
超导材料，是指具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。已发现有28种元 素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
技术原理
零电阻 超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感应电流，这一电流 可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 抗磁性 超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 临界温度 外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超 导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 临界磁场 使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T的关系为Hc=H0[1(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
研发产品
2014年3月28日，日本物质材料研究机构研究小组研究、合成了含有金和硅元素的新型超导化合物。
研究小组在1500度、6万个大气压的高温高压条件下，使金和硅以及二硅化锶等发生化学反应，生成了被称 为“SrAuSi3”的新型超导体，在1.6K绝对温度下达到超导状态。经理论计算分析，该新型超导体电子结构与原 子序号较大的金元素相比，电子数有增加、电子磁性和自旋轨道耦合均较强，属于BaNiSn3构造的化合物。该研 究成果已在美国化学学会主编的《材料化学》上发表。
超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条 件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K 提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。
超导材料名称解释
超导材料名称解释超导材料，这名字听起来就很酷炫，好像带着一种超级英雄般的能力。
超导材料啊，简单说就是一种特别神奇的材料。
咱打个比方，普通的材料在电流通过的时候，就像人在拥挤的集市里走路，磕磕绊绊的，总会遇到各种阻碍，这些阻碍就是电阻。
可超导材料呢？它就像是给电流修了一条超级高速公路，电流在里面跑的时候，那叫一个顺畅，一点阻碍都没有，电阻几乎为零。
这就好比你开着车在堵得水泄不通的马路上，突然一下就到了一条没有任何车的宽阔大道上，那种畅快，难以形容。
超导材料有好多不同的种类，每一种都像是一个独特的小世界。
比如说汞，汞这种超导材料就像是一个低调的高手。
在平常温度下，汞就和其他普通金属差不多，规规矩矩地做着自己的事情。
可是一旦温度降到了极低的程度，哇塞，它就像突然被施了魔法一样，变成了超导材料。
这就像一个平时普普通通的人，在某个特殊的时刻，突然展现出了令人惊叹的才能。
你说神奇不神奇？再说说铌钛合金这种超导材料。
它就像是一对配合默契的好伙伴，铌和钛结合在一起，就产生了超导的奇妙特性。
这就好比两个人合作做一件事情，如果配合得好，就能发挥出巨大的力量。
铌钛合金在超导领域里，就像是一对黄金搭档，为很多超导设备的制造立下了汗马功劳。
超导材料的这些特性啊，那用处可大了去了。
你看，在磁悬浮列车里，超导材料就像是一个大力士。
如果没有超导材料，磁悬浮列车就很难实现那种又快又稳的运行。
超导材料产生的强大磁场，就像一双无形的大手，稳稳地把列车托起来，让列车能够高速行驶。
这就像你放风筝的时候，那根风筝线就像是超导材料产生的力量，稳稳地拽着风筝，让风筝在天空中自由翱翔。
还有在电力传输方面，超导材料要是能够广泛应用，那简直就是一场革命。
现在的电力传输因为有电阻的存在，就像一个漏水的水桶，在传输过程中会损失不少电能。
超导材料就像是一个完美的水桶，一滴电能都不会漏。
这能给我们节省多少能源啊！那可都是白花花的银子和珍贵的资源啊。
有人可能会问，超导材料这么好，为啥还没有到处都是呢？这是因为超导材料的超导特性往往需要在很低的温度下才能实现。
超导材料.do
热绝缘型和冷绝缘型高温超导电力电缆
高温超导故障电流限流器
高温超导限流器可以起到提高了电网的安 全性，同时也可提高电网的效率。英纳超 导电缆技术等单位于2007年研制成了35千 伏、1200安培饱和铁芯式高温超导限流器 并在云南昆明普吉电站实现了并网运行。
结构设计方案
1.触发电阻式 2.触发电感式 3.失超电阻式 4.屏蔽筒式 4. 5.磁饱和式
LSAT基片 LSAT单晶
LSAT（铝酸镧·钽酸锶铝）是性能优良的高温超导基片材料。它可以克 服LaAlO3高温超导基片晶体固有的畴结构给薄膜生长带来的不利影响。 LASAT没有畴结构，无孪晶，晶体结构完整，用作衬底材料可显著提高薄 膜的质量。
五、高温超导体的应用
1、高温超导体电流引线 2、高温超导磁体 3、高温超导故障电流限流器 4、高温超导交流输电 5、高温超导直流输电 、高温超导直流输电 6、高温超导电磁储能 7、高温超导变压器 8、其他
超导材料
2、超导体的临界参数
1、临界温度Tc 临界温度 2、临界磁场Hc 临界磁场H 3、临界电流Ic 临界电流I 4、其他特性
电阻率变化曲线
四、高温超导体概述 具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度（77K） 条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故 又称高温氧化物超导材料。高温超导材料不但超导 转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元 金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化 物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化 合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或 部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。 除此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构， 超导性能具有很强的各向异性。
基本电阻型超导限流器
限流过程
3.3 超导材料
德国磁悬浮列车
1999年４月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达 552公里，创世界铁路时速最高纪录。实验性行驶
西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车， 最高设计时速达500公里
层状钙钛结构组元
空穴 载流子库层 电子
LaBaCuO4
高温铜氧化物超导材料结构特征：
1 层状钙钛矿结构，可以看作是由导电层和绝缘的 组合层构成的夹层状结构。
2 导电层是由一层或几层Cu-O平面组成的，电导
和超导都是主要发生在这些Cu-O层上，电学性 质和超导性质都具有强烈的各向异性。 3 绝缘的组合层也可称作载流子库层。向CuO 面提供载流子。
库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子 在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的 动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不 能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻 为零的超导形式。
BCS理论针对金属的超导，无法成功的解释高温超导的现象
• 相干长度：是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际
• 1987年两人获得诺贝尔物理学奖
高温超导理论: 下一个诺贝尔奖?
把1986年4月以后发现的较高温度下的超导体称为高 温超导 。高温许多共同的结构特征：
Cu-O6八面体 Cu-O5四方锥 Cu-O4平面四边形
导电层 （铜氧层） 子调 浓节 度载 流 合提 机供 制耦
Tc、Hc、Jc
任一条件变化都会从超导态变成正常态
3.3.3 超导体分类
元素超导体 合金超导体 金属间化合物超导体 陶瓷超导体 高分子超导体
1. 元素超导体
目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种 （如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下 或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如 右图元素周期表中绿色方框所示）。
物理学家研究超导材料的物理性质
物理学家研究超导材料的物理性质超导材料是当前物理学研究的热门领域之一。
具有超导性质的材料，在低温下电阻几乎降为零，电流可以在其内部无阻力地流动，这些性质使得超导材料在电力输送、电子器件和磁共振成像等方面具有广泛的应用前景。
然而，超导现象的本质仍然不为人们所完全理解，理论和实验研究仍在不断推进。
本文将介绍物理学家对超导材料的一些研究成果和开展研究的方法。
一、超导材料的物理性质超导材料是一类特殊的物质，它们在低温下表现出电阻率几乎为零、磁场抗力弱等特点。
这些性质的出现是由于材料内部的电子的配对，它们“结对”成为无自旋的“库珀对”，有序地运动。
超导材料中的“库珀对”具有固定的能量和动量，因此电阻率为零，体现了一种完全不同于普通电子的行为。
此外，超导材料在磁场下表现出一定的性质，对于不同类型的超导材料，它们在外磁场下的性质各不相同，这也是物理学家们研究其物理性质的重要方面。
二、物理学家对超导材料的研究成果物理学家一直致力于研究超导材料的晶体结构、自旋、磁场等多个方面的性质，并且利用它们对超导现象进行了理论描述。
近年来，科学家们发现超导材料中的“库珀对”有多种组态，其中一些组态表现出了与普通超导现象不同的行为。
例如，在一些超导材料中，当制备不同形状的样品时，其超导性质会发生变化。
或者，当将特定的杂质“掺入”超导样品中时，超导性质也会发生变化。
这些有趣的现象挑战了科学家们对超导现象的理解，也激发了新的科学研究。
物理学家们利用多种手段对超导材料进行研究。
其中，磁测量技术是最常用的手段之一。
利用磁测量技术，科学家们可以测定超导材料在外磁场下的磁化行为，从而分析其结构和性质。
另外，使用扫描隧道显微镜、拉曼光谱等技术，可以研究超导材料的晶体结构、光谱特性等物理性质。
同时，数值模拟、量子场论等方法也是研究超导材料的重要手段。
三、尚待解决的问题虽然物理学家已经对超导材料进行了大量研究，但是目前仍有许多问题等待解决。
例如，科学家们发现一些材料中出现了不同于传统超导现象的新现象，例如“弱关联超导”等。
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1957年，BCS理论被提出
1969年，超导纤维研制成功 1973年—— Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。
金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xO3。
1975年——500Km/h的磁悬浮列车研制成功。 1986年——Muller(缪勒)和Bednorz(柏诺兹)发现高温超体。
实际上磁场强度 B 有一穿透深度
B B0 e
x
:
穿透深度
电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个 性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。
迈斯纳效应产生的原因:
当超导体处于超导态时，在磁场 作用下，表面产生一个无损耗感 应电流。这个电流产生的磁场恰 恰与外加磁场大小相等、方向相 反，因而总合成磁场为零。换句 话说，这个无损耗感应电流对外 加磁场起着屏蔽作用，因此称它 为抗磁性屏蔽电流。
库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子 在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的 动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不 能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻 为零的超导形式。
BCS理论针对金属的超导，无法成功的解释高温超导的现象
• 相干长度：是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际
1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。
1988~至今——高温超导迅猛发展，Tc不断升高。
一些超导材料 的临界温度
3.3.2 超导材料的基本性质与理论基础
1：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻
率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低 温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没 有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。
E
正常态
超导态
2. 完全抗磁性(迈斯纳效应) 迈斯纳效应
当超导体冷却到临界温度以下 而转变为超导态后，只要周围 的外加磁场没有强到破坏超导 性的程度，超导体就会把穿透 到体内的磁力线完全排斥出体 外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零。超导体的这种特 殊性质被称为“迈斯纳效应”。
迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一 个具有完全抗磁性的抗磁体
巴丁、库珀和施里弗因为提出 超导电性的BCS理论而获得 1972年的诺贝尔物理学奖
BCS理论：——适用于金属晶体
金属晶体是有周期型排列的金属正离子和可以自由移动 的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子 核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时T<Tc， 电子不再单独一个一个存在，带负电的电子吸引原子核 向它靠拢，那么在电子周围形成局域正电势密集区，吸 引第二个自旋相反的电子。这个电子和原来的电子以一 定的结合能相结合配对，成为库柏电子对。两个电子自 旋方向相反，动量大小相等，方向相反，总能量为零。 库柏电子对的能量低于两个单独电子的能量。
根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承 、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。
3. 超导态的临界参数
临界温度（TC） 超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC） 通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保 持超导体的超导性。 临界磁场（HC） 施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导 体的超导性。
临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约 束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满 足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。 （由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）
H
Hc
正常态
V
失 超
超导态
Tc
T
Ic(V)
I
临界电流：即当每厘米样品长度上 出现电压为1V时所输送的电流
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
现象：在锡盘上放一条永久磁铁， 当温度低于锡的转变温度时，小磁 铁会离开锡盘飘然升起，升至一定 距离后，便悬空不动了。 原因：由于磁铁的磁力线不能穿过 超导体，在锡盘感应出持续电流的 磁场，与磁铁之间产生了排斥力， 磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥 力减弱到与磁铁的重力相平衡时， 就悬浮不动了。
3.3.1超导研究历史
1911年——Onnes发现Hg，现已有5000种。 1911～1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。
1933年——迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。
1933—1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物的超导现象。 1953 ～ 1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等
上这种吸引作用并不强。一个库柏对的尺寸约为104cm左右，这个尺寸相当于晶格常数的10万倍。由此可 见，一个库柏对在空间延展的范围是很大的，在这空 间范围内存在着许多个库柏对互相重叠交叉的分布。 库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子， 不像两个正常电子那样，完全互不相关的独立运动， 而是存在着一种关联性。
高温超导体YBCO的电阻-温度曲线
超导体完全导电性的解释机理—BCS理论
该理论以其发明者 巴丁（Bardeen） 库珀（Cooper） 施里弗（Schrieffer） 的名字首字母命名。 超导现象于1911年发现，但直 到1957年，美国科学家巴丁、 库珀和施里弗在《物理学评论 》提出BCS理论，其微观机理 才得到一个令人满意的解释。
Tc、Hc、Jc
任一条件变化都会从超导态变成正常态
3.3.3 超导体分类
元素超导超导体
1. 元素超导体
目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种 （如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下 或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如 右图元素周期表中绿色方框所示）。
超导现象的发现：
1911 年，荷兰科学家昂纳斯 在研究极低温度下金属导电性时 发现，当温度降到4.2K时，汞的 电阻率突然降低到接近于零。这 种现象称为汞的超导现象。
昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖
超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。