超导电性(Superconductivity)-2013年中科大《材料物理》ppt课件

∂B = −∇ × E ∂t
设磁导率 μ = 1 ，积分可得 B = B0
由此得出结论：在完全理想的导体中不可能有随时间变化的磁场，即 原有的磁通量不会消失也不会增加，
加场
降温
去场
T ≤ Tc
降温
加场
去场
T ≤ Tc
பைடு நூலகம்
理想导体中体内的磁通分布与加场的历史有关
如何理解理想导体体内的磁场保持不变？
• 在稳恒情况下，体内的 E = 0。所以当外场改变时，根据 Lenz 定 律，在材料表面便感应出一个感生电流，感应电流具有这样的方 向，就是感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变 化，即抵消外磁场的变化。 • 这个感生电流密度 j 不受到电场的作用，同时材料又是无阻的，所 以这个电流既不消失也不变化，永远能保持着材料内的磁场不变。 • 由于有持续电流的存在，在理想导体中，材料内部的磁场不随时间 变化。
二、理想导体的磁性
在超导体的抗磁性发现以前，人们一直认为在电阻为零时体系进 入了理想导体状态。在理想的导体中，在稳恒情况下，由于电阻率 ρ = 0，则电导率 σ = ∞，根据 Ohm 定理，电流密度为：
j = σE
因此，要使得 j 为有限值，只有 E = 0。 由 Faraday 感应定律知道，随时间变化的磁场在其周围产生电场：
三、超导体的 Meissner 效应
1933年，Meissner 发现，在超导转变过程中，表现出抗磁行为， 也就是说，超导体把磁力线排斥出体外。这一效应称之为 Meissner 效 应（完全抗磁性），是超导转变的又一个特征。使人们对超导态的本 质有了一个全新的认识，即超导体与理想导体有着本质上的差别。 材料进入超导态后，不允许磁场存在于它的体内，这样，超导体 在磁场中的行为，将与加磁场的次序无关，或者说与历史无关，不同 于理想导体 。
2. Meissner 效应
常用的是磁感应法：在一个长圆柱样品上绕一个线圈，并与冲击电流
计串联。当样品在正常态时加上磁 场 Ha //轴，加磁场时冲击电流计给 出一个冲击偏转 α，α 的大小正比 于进入样品的磁通量。然后冷却样 品，当温度下降经过 Tc 时，由于样 品变到超导态，样品内磁通全部排 出，冲击电流计又给出一个反向偏 转 α，此后样品处在超导态，无论 撤消或重新加上磁场，冲击电流计 均无偏转。
超导应用领域：
• 在超导悬浮方面的应用，如超导磁浮列车、无接触输运、超导储能
系统、无磨擦悬浮轴承等。
Upper: permanent magnet Lower: superconductor
超导应用领域：
• 超导受控热核反应装置。
有效直径 有效高度 真空度 最大电流 制冷量
3.1 m 4.7 m 1 × 10-5 τ 30 kA 500W/4.5 k
ρ = 0 和 B = 0 是超导体的两个相互独立紧密联系的两个基本特征。
加场
降温
去场
T ≤ Tc
降 温 至 Tc 以下后 加场
去场
T ≤ Tc
超导体内的磁通与加场历史的关系
四、超导态的实验观察
1. 零电阻现象
超导态的电阻上限是多大？目前最好的测量直流电压的灵敏度是 10-9V，所以直流电压法测量结果不理想，常用持续电流法。
31. 超导体的两个基本特性是什么。 32. 论述理想导体与超导体磁性之差别。 33. 如何在下述的超导电路中施加持续电流？
限流器（FCL）
10.5 kV/1.5kA高温超导限流器的 超导线圈
中科院电工所研制
超导应用领域：
• 在电子领域即弱电中的应用。主要指信息技术领域中的应用，具有
代表性的有A/D变换、超导计算机、以及弱磁探测等方面的应用。
7T磁学测量系统MPMS （超导量子干涉仪）
SQUID 器件的核心部分是包含一个 或两个弱连接的超导环。
χ = −1
式中 M 被认为是真实的磁矩。 与外加磁场有关的电流永远不出现，电流只能是外部引入的。
六、临界温度 Tc 和临界磁场 Hc
材料的电阻突然消失、从而进入超导态的温度叫临界温度 Tc，这 是一个物质常数。
一些元素超导体
--常压下元素超导体共 28 个----Hg (4.2K); Pb (7.2K)； Sn (3.7K)； In (3.4K)； Al (1.2K) ； Tl (2.4K) ； V (5.3K)； Nb (9.2K)； Ta (4.5K)； La (6.0K, β) --高压下的超导体—13 个 Ge (5.4K, 12GPa)； Si (7.1K, 12GPa)； Bi (7.1K, 3GPa)； Bi (8.3K, 8GPa)；
I (t ) = I (0) exp( − Rt / L)
若 R=0，则：
持续电流的产生
LI + AB = Const.
即，总磁通量不变。
−A
dI dB = IR + L dt dt
• 1914年，Onnes 用 LR 回路电流衰减法确定出： Hg 的电阻率 ρ ≦10-18 Ωm (T < 4.2K) • 1962年，D. J. Quinn 用圆筒形 Pb 膜（减小电感）确定出： Pb 的 ρ ≦10-25 Ωm (T < 7.2K) 对比：正常金属能达到的低温电阻率 ρ = 10-11～10-10 Ωm -- 因此，可以确定超导体的电阻确实为 0。
超导电性（Superconductivity）
超导发展简史
• 1911年，荷兰物理学家 Kamerlingh Onnes 发现了 Hg 的超导电性； （R=0） • 1933年，W. Meissner 和 R. Ochsebfekd 发现了超导体的完全排磁通现 象，称为 Meissner 效应；（B=0） • 1930s－1950s之间发展了超导的唯象理论，包括： （1）二流体模型−热力学性质 （2）London 理论−电磁性质 （Pippard 理论； Ginzburg-Landau 理论）
低温的获得
280 pK
2mK
4.2 K
77 K
300K
超导技术中使用的致冷方式
• 液氮 LN2 • 液氦 LHe • 致冷机 77K 4.2K 5元/升 140元/升 价格昂贵
不同温区
氦液化器
超导应用领域：
• 在电工领域即强电中的应用。主要指电力系统中的应用，具有代表
性的有超导磁体、超导电力电缆等。
HTS-SQUID 心磁图仪
微波器件
高温超导薄膜的微波表面 电阻 Rs 远小于铜的 Rs 10GHz < 0.01 1GHz < 0.001 HTS 薄膜可以制备高性能 的各种微波器件， 具有极低损耗和极低噪声 的优良特性 。
高 温 超 导 滤 波 器 系 统
2004.3 起，清华大学研制的高温超导滤波器在唐山基站 投入商业运行。这是中国高温超导首次实际应用 。
临界磁场 Hc
Onnes 发现超导体后，就立刻想做一个没有耗损的磁体，但他发 现（1914年）用一磁场加到超导体之后，当磁场达到某一值时，超导 体就恢复了电阻，回到正常态。使电阻恢复的磁场值就称之为临界磁 场。
H c = H c (0)[1 − (T / Tc ) 2 ]
Hc 和温度的关系示意图
习 题
超导发展简史
• 1957 年，J. Bardeen、L. V. Cooper、J. R. Schrieffer 发表了超导的微 观理论－BCS理论； • 1957 年，A. Abrikosov 发表了第二类超导体的理论，为超导体的强 电应用提供了理论基础； • 1962 年，B. D. Josephson 发现超导隧道效应，称为 Josephson 效 应，为超导体的弱电应用打开了大门； • 1986 年，Bednorz 和 Müller 发现高温超导体－LaBaCuO。 • 2008 年，Hosono 研究组发现第二类高温超导体－LaFeAsO1-xFx
Upper: permanent magnet
Lower: superconductor
Schematic drawing of a HTSC-PM levitation system
五、描述超导磁性的两种方法
前面描述超导体磁性是曾认为磁导率 μ = 1，这和完全抗磁性的 μ = 0 相矛盾，这是因为存在两种描述方法： (1) μ = 1 这个描述方法中 B = μ0H 而电流 j 类似于交变场中感应的电流，且不随时间变化。磁矩 M 只是 由电流分布诱导出的量，并不具有 (B−μ0H) 的意义。 注意：B 和 H 之间没有不同，在超导体内二者都消失，因此从外部引 入的电流与加磁场感应的电流之间没有不同。 (2) μ = 0 这个描述方法中，H 被定义为 因为 B = 0，故 B = μ0(H+M) = μ0(1+χ)H
中科院等离子所（合肥）托克马克装置（核聚变）上的磁体、杜瓦
参考资料： 张裕恒 编著《超导物理》 中国科技大学出版社 1997
§1 超导体的基本性质
一、零电阻现象
金属的电阻在低温下是如何变化的？
卡莫林·昂纳斯 (Kamerlingh Onnes ) (1853—1926)
荷兰著名的物理学家、超导现象的发现者、 低温物理学的奠基人； 1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根； 1879年，在格罗宁根大学获得博士学位； 1882年，被任命为莱顿大学物理学教授和 物理实验室负责人； 1892－1894年建成了大型的液化氧、氮和空气 的工厂，并于1906年大量生产液氢； 1908年7月10日成功地液化了氦； 1911年，发现汞的超导电性； 1913年，由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气获得了诺贝尔物 理学奖。
超导合金与化合物
--低熔点合金： Pb-In (3.4−7.3K)；Pb-Bi (8.7K)；Pb-Tl (5.8K)； Pb-Sn (4−7K) ；In-Sn (3−7K)；各种低熔点焊料； --高熔点合金： Mo-50Re (12.6K)；Nb-15Hf (9.8K)；Nb-35Ti (10K)； Nb-25Zr (11K) --化合物： NbC (9K)； TaC (10K)； MoC (14K)； NbN (17K) ； V3Si (17K)； V3Ga (16.8K)； Nb3Sn (18K)； Nb3Al(18.8K)； Nb3Ge(23.2K)； PdH (15K)； PdCuH (16.6K)； PbMo6S8 (14.7K)； LiTi2O4 (13.7K)
实验现象：
在 4.2K，Hg 的电阻突降为零。 Onnes 确认这是一个零电阻态， 他称之为超导态。 超导体就是“理想”导体吗？
“the resistance would, within the limits of experimental accuracy, become zero.” （H. Kamerlingh Onnes: Adad.Van Wetenshappen (Amsterdam),vol.14, pp.113, 1911） “the mercury had passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconducting state.”（H. Kamerlingh Onnes: Adad.Van Wetenshappen (Amsterdam), vol.14, pp.818, 1911）
高温超导输电电缆 超导电动机
630kVA三相高温超导变压器 中科院电工所研制
超导电磁储能
－利用超导线圈将电磁能储存起来， 需要时再将电磁能返回电网。 优点： 1. 长期无损耗地储存能 量，其转换效率95%； 2. 响应速度（毫秒 级）； 3. 可建成大功率和大能 量系统； 4. 除真空和制冷系统外 没有转动部分，使用寿 命长； 5. 建造不受地点限制， 维护简单、污染小。
设有一超导环，所包围的面积是 A ，电阻是 R，电感为 L，在正常态时加一磁场 B，则穿过超导 环的磁通量为 Φ = AB，而磁场变化时产生的电动势 为 −AdB/dt。若感生电流为 I ，则
dB dI −A = IR + L dt dt
当外场停止变化时，dB/dt = 0，有： IR + L
dI =0 dt