第五章——超导材料
电工材料第五版练习册答案
电工材料第五版练习册答案电工材料是电气工程领域的基础学科之一，它涉及到材料的电性能及其在电气设备中的应用。
以下是《电工材料第五版》练习册的一些模拟答案，供学习者参考。
第一章：导电材料1. 简述导电材料的基本特性。
- 导电材料具有高的电导率，能够快速传递电流。
它们通常具有良好的热稳定性和化学稳定性，以适应不同的工作环境。
2. 列举几种常见的导电材料。
- 常见的导电材料包括铜、铝、银、金等。
3. 导电材料在电力系统中的主要应用是什么？- 导电材料在电力系统中主要用于制造导线、电缆、电机和变压器的导电部件等。
第二章：绝缘材料1. 绝缘材料的主要作用是什么？- 绝缘材料的主要作用是防止电流泄漏，保护电路安全运行。
2. 绝缘材料的分类有哪些？- 绝缘材料主要分为固体绝缘材料、液体绝缘材料和气体绝缘材料。
3. 简述固体绝缘材料的主要特性。
- 固体绝缘材料具有高的电阻率、良好的机械强度和化学稳定性。
第三章：磁性材料1. 磁性材料在电气设备中的作用是什么？- 磁性材料在电气设备中主要用于制造电机、发电机、变压器等设备的磁路部分。
2. 简述软磁材料和硬磁材料的区别。
- 软磁材料具有较低的磁滞损耗和较高的磁导率，易于磁化和退磁；硬磁材料则具有较高的剩余磁感应强度和较高的矫顽力，不易退磁。
第四章：半导体材料1. 半导体材料的导电特性是什么？- 半导体材料的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过掺杂、温度变化等方法调节其导电性。
2. 列举几种常见的半导体材料。
- 常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。
第五章：超导材料1. 超导材料的定义是什么？- 超导材料是指在一定温度以下，电阻率突然降为零的材料。
2. 超导现象的发现者是谁？- 超导现象是由荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯在1911年发现的。
结束语：电工材料的学习不仅需要理论知识的积累，更需要通过实践来加深理解。
希望这些练习答案能够帮助大家更好地掌握电工材料的相关知识，为未来的电气工程实践打下坚实的基础。
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。
第5章超导材料及其应用课件.
超晶格超导体
有机超导体
3 高温超导体研究的重大突破
1986年 Müller (缪勒 )和Bednorz
(柏诺兹 ) 发现高温超导体
1986.1
La2-xBaxCuO4 35K 90K
1987.2 YBa2Cu3O7 1988.1 Bi-Sr-Ca-Cu-O 80K,110K
（2）第二代超导体——亿系
（3）第三代超导体——铋系、铊系、汞系 五、超导材料的应用 （1）磁悬浮列车 （2）SQUID量子干涉传感器
一、 超导体的基本知识——研究历史 1、 1973年以前超导研究过程 1911年 Onnes发现Hg在4.2K电阻突然下降为零 1933年 Meissner效应的发现 1911-1932年间, 以研究元素的超导电性。Hg、Pb、Sn、In、 Ta„.
1932-1953年，发现了许多具有超导电性的合金。如 Pb-Bi，NbC， MoN，Mo-Re„„.
1953-1973年，发现了一系列A15型超导体和三元系超导体。如 Tc17K的V3Si，Nb3Sn；特别是Nb3Ga，Nb3Ge Tc23.2K
1957年提出了BCS理论 (1972年诺贝尔物理奖) 1962年发现了Josephson效应 (1973年诺贝尔物理奖)
完全抗磁性
定义：在超导状态，外加磁场不能进入超导体的内部；原来处
于外磁场中的正常态样品变成超导状态后，也会将原来在体内
的磁场完全排出。这个性质称为完全抗磁性，又称为迈斯纳效 应。
球体
磁悬浮演示
142 kg
超导体
磁悬浮列车
完全抗磁性
理论解释：
当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体 的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流形成的磁 场，在超导体内部，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。 这两个磁场相互抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，
第五章——超导材料
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BCS理论
常规导体电阻的成因：
常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成的 晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子， 晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。
超导材料中最高的；较低的临界电流（103～ 104A/cm3。
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5.3低温超导体
二硼化镁（MgB2）超导体的发现
2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯的 研究小组发现金属间化合物MgB2具有超导电性， 超导转变温度高达39K。 二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔 的应用前景。 迄今为止， MgB2的超导转变温度是简单金属化 合物中最高的。
5.1 超导材料的基本性质与理论基础
特性三：约瑟夫森效应(22 岁时预言,也称为超导隧道效应) ， 两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电 阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两 侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。
弱连接超导体由两块超导体中间夹一块厚约 数个纳米的绝 缘膜或微桥等，使它们相互弱结合在一起，也叫约瑟夫森 结，其特点是对磁场、电流等极为敏感。
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5.3低温超导体
MgB2超导材料块材的制备（固相法）
日本秋光纯:
99.9％Mg＋99％B
MgB2
（压制成小球＋高压氮气加热）
中国科学院：
Mg(分析纯)＋B(单质)
MgB2(高纯)
（用铂金包裹,T=1173K,P=3.0GPa,烧结t=10～30min)
兰州大学
Mg(过量10％分析纯)＋B(非晶)
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超导材料
4.2 超导材料的分类
2.第二类超导体
该类超导体的磁化曲线如图 4.2 中实线所示。当外磁场小于 第一临界磁场 Hc1 时，超导体内磁感应强度 B ＝ 0 为完全超导态； 当外磁场超过Hcl时，则有部分磁通穿入导体内，其中B从0迅速 增强。当外磁场大于Hc时，这类超导体并没有完全变成正常体， 它门能把一部分磁通排斥于体外，直到外磁场为Hc2时，超导电 性才消失。当外磁场介于 Hc1 与Hc2 之间时，超导体状态并不是 迈斯纳态，但也不是正常态，即处于超导态的小区与常态的小 区嵌镶结构，此态为混合态（Mixed State）。这类超导体在混 合态时仍保持一定的超导性。只有当外磁场强度大于Hc2时，零 电阻的现象才消失。具有这一特性的超导体即为第二类超导体。 很多合金以及 Nb、V等元素金属均属于此类超导体。Y－Ba － Cu－O系高温超导陶瓷亦属于第二类超导体。一般来说，第二 类超导体的Tc、Hc、Jc要比第一类超导体的高得多。
4.1.2 超导研究的历史回顾
1973年，发现Nb3Ge具有超导性，Tc为23.2K。 1973年，约翰斯通(D.C.Johnston)发现Li1+xTi2-xO4 具有超导性，其临界超导温度Tc达到13.7K。斯 赖特(A.S.Sleight)等发现BaPbxBi1-XO3(x=0.27)具 有超导性，其义为Tc=13K。这些奇异的氧化物 超导体的发现，使人们开发高温超导材料的注意 力转向了金属氧化物。 1975年，对超导材料的应用研究又迈出了新的一 步，时速达500km/h的超导磁悬浮列车试制成功。
4.1.1 超导性及其产生条件机理 超导材料：具有超导性的材料。要成 为超导状态，除了温度T要处于临界温 度Tc以下外，磁场强度H和电流密度J 也必须分别处于临界值Hc、Jc以下， 如图4.1所示。其临界值越高，用作超 导体时越有利。-H-J临界面（临界面内为超导状态；临界面外为正常状态）
超导材料
超导材料超导材料超导材料是指在超导态下能够实现零电阻和完全磁通排斥的物质。
这是一种非常特殊的材料，在低温下具有很高的电导率。
超导材料的发现对科学和工业领域都产生了巨大的影响。
本文将介绍超导材料的概念、发现历史、特性和应用等方面的内容。
超导材料的概念最早可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡末林·奥恩斯和海尔曼·科内斯发现了汞在低温下的超导性质。
自那以后，科学家们一直在寻找更多的超导材料，并不断探索和研究超导现象的原理。
超导材料的最大特点是零电阻。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，材料内的电流可以在不损耗能量的情况下持续流动。
这意味着超导材料可以实现高电流密度和高电导率，可以在电力输送、磁共振成像等方面发挥巨大的潜力。
除了零电阻外，超导材料还具有完全磁通排斥的特性。
当磁场穿过超导材料时，超导电子将把磁力线排斥出材料，形成所谓的“迈斯纳效应”。
这种特性使超导材料在磁悬浮、磁阻限制等领域具有广泛的应用。
超导材料的发现和研究对科学产生了巨大的影响。
它不仅突破了传统材料的电阻极限，也为解决能源和环境问题提供了新的思路。
例如，在能源输送方面，超导材料可以大大减少电能损耗，提高输电效率。
在磁共振成像方面，超导磁体可以提供极强的磁场，使成像更加精确并缩短检查时间。
此外，超导材料还在科学研究中发挥着重要作用。
它在粒子物理学、高能物理学和凝聚态物理学等领域有广泛的应用。
例如，在核聚变研究中，超导材料可以用于制造超导磁体，产生强大的磁场来控制等离子体。
超导材料的应用还延伸至工业领域。
在交通运输方面，超导磁悬浮技术可以实现高速列车的悬浮和推进，提供更快、更安全、更节能的交通方式。
在能源领域，超导磁能储存技术可以在低谷电力储能和紧急供电方面发挥重要作用。
虽然超导材料在理论和实验研究中取得了重要进展，但目前仍面临着一些挑战。
首先是超导材料的高温超导问题。
迄今为止，大多数超导材料的超导转变温度都在很低的液氮温度以下，这限制了超导材料应用于实际场景的可能性。
超导材料 PPT
超导性质和相关理论
观察迈纳斯效应的磁悬浮试 验
超导性质和相关理论
超导隧道效应
弱连接超导体：S-I-S
02 超导性质和相关理论
零电阻效应
超导性质和相关理论
A) 临界温度: 电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界 温度与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降 越尖锐。
B)临界磁场: 超导电性可以被外加磁场所破坏, 对于温度为T (T<Tc)的超导 体, 当外磁场超过某一数值Hc (T)的时候，超导电性就被破坏了，Hc (T)称为临界磁场。在临界温度Tc，临界磁场为零。Hc(T)随温度的变化 一般可以近似地表示为抛物线关系:
(2) 正常电子的性质与正常金属自由电子气体相同，受到振动晶格的散射而产生 电阻，对熵有贡献。
超导性质和相关理论
(3) 超流电子处在一种凝聚状态，即某一低能态，所以超导态是比正常态 更加有序的状态。这个假设的依据是：超导态在H＝Hc 的磁场中将转变 为正常态，而超导态的自由能要比正常态低 0Hc2V/2 (V是超导材料的体 积)。超导态的电子不受晶格散射，所以超流电子对熵没有贡献。
超导性质和相关理论
伦敦电磁学方程
1935年，伦敦兄弟在二流体模型的基础上，提出两个描述超导电流
其中Hc0是绝对零度时的临界磁场。
大家学习辛苦了，还是要坚持
继续保持 安静
超导性质和相关理论
C) 临界电流: 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电流称作临界电流Ic(T)。在临界 温度Tc，临界电流为0。 临界电流随温度变化的关系有：
超导材料
1986年——瑞士科学家贝德诺兹和缪勒，发现 高温超导铜氧化物。30K左右的钡镧铜氧。 1986年——朱经武发现Tc=52k的BaLaCuO. 1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93k的 YBaCuO。 1988-2000年——高温超导体迅猛发展，Tc不 断升高已达132k. 2008年2月日本和中国科学家发现了一类新的 高温超导材料——铁基超导材料。东京工业大
理论基础—BCS超导理论
1956年的时候，美国物 理学家库柏提出了一个 重要的观点：当满足一 定条件，在电子和电子 之间存在有吸引力时， 这两个电子就会形成一 个 “ 电子对 ” ，它 们被束缚在一起 。这样 的 “ 电子对 ” 称为 “ 库柏对 ” 。 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 对另外电子的吸引作用。这种作用可以用电子声子相互作用模式处理。
学的研究小组发现临界温度达26k的镧氧氟铁砷
超导材料LaO0.5F0.5FeAs。 2011年，日本发现了一种新的超导体材料—— BiS2基超导体。LaO1-xFxBiS2的Tc=10.6k
四、超导材料的应用
应用一，输电电缆、电机、储能
零电阻效应 高温超导输电线可大大节约电能一般的铜线高 架远距离输电，输电线路电能损失达5%— 15%。就美国太平洋煤气电力公司而言，一年 线路电能损失达2亿美元，如果用高温超导线 路远距离输电，则可以避免电能的损失。届时， 我国西南丰富的水能资源即全部开发出来，通 过高温超导输电线路，输送到东南沿海经济发 达地区，解决这些地区的缺电问题。 超导电机：无热损耗，电能全部转化。 超导储能：非常高的能量密度，可以无损耗贮 存巨大的能量。
常规超导材料
弱电超导材料：只涉及小电流和弱磁场。 弱电应用的超导材料多数情况下是先做 成薄膜，然后由膜加工成适当的元器件。 例如，目前最准确的电压标准仪器，其 心脏部件是4个铅膜——氧化铅膜——铅 膜做成的约瑟夫森结。
第五节 超导材料
三. 碳60分子 (C60) • 结构:
–60个C原子, 12个正五边形, 20个正六边形, 32面体, 称巴基球(Buckyball) • • 掺杂K、Na 的 C60:Tc ≈ 3 0 K 可做碳纳米线、管. C60的结构示意图
12
I
四. 约瑟夫森(Josephson)效应与应用 • 隧道效应: 微观粒子总能量E小于势垒壁的 高度U０, 粒子有一定几率穿透势垒的现象. (一) 正常电子隧道效应
阵、 有规则的二维格子. 为了维持这个正常芯
子，在磁通线外的超导区中，必定存在一定分 布的环形电流围绕着它，该环行的涡流电流屏
Ha
蔽了半径r≥λ(T)以外的磁场，涡流电流所产生
的磁场就是正常芯子中量子化磁通量的磁场。
通常把正常芯子和包围它的涡流电流作为整体 称作涡流结构或磁通涡旋线(或涡旋线)。混合 态这种复连通体系是第Ⅱ类超导体的固有属性. • 当第 II 类超导体处于混合态时, 正常芯子中 的磁通线将与电流作用, 产生洛伦兹力, 使磁通 线在超导体内发生运动, 消耗能量.
a) 隧道结 b) SNS隧道 结 c) 点接触 d) Clarke 棒 e) 超导微桥
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• 材料 (超导薄膜)
– 软金属 – 硬金属 – 氧化物
• 软金属
– Pb、Pb-In合金、Pb-In-Au合金、Pb-Bi合金等 – 制备: 真空度10-4- 10-5 Pa, 氧化条件好控制，易生成均匀、致密、稳 定的氧化层势垒 – 用途: 制造高性能的隧道结; 约瑟夫森效应超导微桥 – 特点: 相干长度较长 – 缺点: 材料力学性能差
3
Bi-Sr-Ca-Cu-O 1988年2月
4
• 超导微观理论(BCS理论 (由Bardeen,Cooper,Schriefer提出)):
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。
第11页
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
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。
超导材料的电磁特性课件
超导材料主要分为两类：低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料是指在 液氦温度下呈现超导性的材料，如金属汞和铅。而高温超导材料则是指在液氮 温度下呈现超导性的材料，如氧化物陶瓷和金属合金。
超导材料的应用前景
总结词
超导材料在能源、交通、医疗等领域具有广泛的应用 前景。
详细描述
超导材料具有零电阻、高磁导率等特性，因此在能源 、交通、医疗等领域具有广泛的应用前景。例如，在 电力传输领域，超导电缆可以大幅度提高输电效率， 减少能源损失。在交通领域，超导磁悬浮列车可以实 现高速、无摩擦的运行，提高交通效率。在医疗领域 ，超导核磁共振成像技术可以为患者提供更准确的诊 断。随着科学技术的不断发展，超导材料的应用前景 将更加广阔。
超导材料的稳定性问题
总结词
超导材料的稳定性是另一个关键问题，它关系到超导材料在实际应用中的可靠性和持久 性。
详细描述
超导材料在受到高温、强磁场或机械应力的作用时，其超导性能可能会受到影响。因此 ，需要进一步研究和改进超导材料的稳定性。
超导材料在新能源领域的应用前景
总结词
随着新能源领域的快速发展，超导材料的应 用前景广阔，特别是在高效能源传输和储存 方面。
03
超导材料的制备方法
液氮温区超导材料的制备
粉末冶金法
通过混合、压制和烧结超导粉末，制备出 块状超导材料。
熔融法
将超导材料加热至熔融状态，然后进行冷 却和结晶，制备出单晶超导材料。
化学合成法
通过化学反应制备超导材料，通常用于制 备薄膜和纳米材料。
高温超导材料的制备
氧化物高温超导材料
通过高温高压合成法制备 ，如YBaCuO和 BiSrCaCuO等。
详细描述
超导材料在超导态时，内部的磁感应强度为零，对外表现出完全抗磁性。当外部 有磁场作用时，超导体内部会产生与外磁场相反的磁场，从而抵消外磁场的影响 。
超导材料(课堂PPT)
图2.1 迈纳斯效应示意图
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2. 超导材料的性质及超导现象的机理
☼ 迈纳斯效应的机理：
迈斯纳效应，常常概括说成：超导体具有“完全的抗磁性”，即在超导体内部保
持磁感强度B=0，应该注意到的是，完全抗磁性并不是说磁化强度M和磁场强度H均
为0。
根据B=μ0（H+M），有
（2.3）
以球形样品为例，球形样品均匀外磁场中将沿磁场方向均匀磁化。如果磁化强度
从图2.2中可见： 在T一定的前提下，H<HC时，gs<gn； H>HC时，gs>gn
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2. 超导材料的性质及超导现象的机理
2.2.2 超导转变过程中熵的变化
根据有关热力学方程可推得：
sn ss 0HC dHC(T )
dT
（2.11）
由公式（2.10）可得将HC(T)对T求导一定 小于0，这已经有实验结果证实（见图2.3）。
序状态随温度增加而不断瓦解。
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2. 超导材料的性质及超导现象的机理
☼ 2.3 超导体唯象理论的发展： 2.3.1 二流体模型
1934年，戈特和卡西米尔根据超导电性的某些热力学性质提出了超导态的二 流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子发生某种有序转变而引 起的。
该理论提出超导电子的概念，指出：超导电子不受晶格振动的影响，用NS表 示其浓度，用秩序度ω(T)表示超导电子占总电子浓度N的比例：
(T ) NS(T )
N
当 T>TC 时，NS(T)=0，ω(T)=0；当 T<TC 时，0<ω(T)<1；当 T=0K 时， NS(T)=N，ω(T)=1。
这是一个不成熟的模型，无法从根本上解释超导机制，基本假设为超导相中共 有电子凝聚成高度有序的超导电子，但却对凝聚过程没有加以说明。
超导材料的性质和应用
超导材料的性质和应用随着科技的发展，超导材料的应用越来越广泛。
超导材料是指在低温下（通常是低于临界温度）能够无阻抗地传导电流的材料。
这些材料拥有一些独特的性质，如零电阻、镜面磁场等，使得它们在许多领域都有着重要的应用。
一、超导材料的性质超导材料的最为显著的性质莫过于零电阻。
这意味着在超导材料内部，电流是可以无阻碍地流动的。
相比于传统的导体材料，超导体不会发热，因此在浪费能量方面能够大幅降低。
此外，超导材料还允许电磁场在内部自由地流动，这意味着它们可以吸收、排除外部磁场。
超导材料的镜面磁场是另一个令人印象深刻的性质。
它们表现出的是数量级高达数百万高斯的磁场——这比地球磁场高了数百倍。
当磁场强度达到“超导临界磁场”时，材料就不再是超导体。
这说明磁场对超导体的控制是一个极其关键的因素。
二、超导材料的应用1. 实现更快的计算机超导材料的零电阻能力使它们在制造更快、更高效的计算机方面具有巨大的潜力。
超导器件通常是超导量子干涉器（SQUID）和快速比特（Qubit），它们能够执行比经典计算机更强大的处理任务。
2. 更可靠的磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）技术MRI和NMR是常用的医学成像技术。
由于超导材料可用于制造高性能的磁体，因此它们也被广泛用于MRI和NMR技术中。
在这些应用中，超导材料能够实现更高的磁场强度、更少的失真和更高的成像质量，这使得这些技术更具可靠性。
3. 电力传输和电力存储超导材料被广泛地应用于电力传输和电力存储领域。
当电流通过传输线时，传递的能量损失将非常低，这意味着输电效率非常高。
此外，在需要临时存储电能的应用中，如峰值削减和稳定电网，超导体还被设计用于储存电能。
4. 超导磁悬浮列车超导技术也被应用于磁悬浮列车。
超导磁悬浮列车是使用电磁力来悬浮和推动列车的列车。
超导材料替代普通材料能够显著提高磁浮列车的效率，从而降低能耗，减少运行的噪音。
总的来说，超导材料的性质和应用使得它们在各个领域具有广泛的应用前景。
超导材料ppt
☆超导电机 在大型发电机或电动机中，一旦由超导体取代铜材则可望实现电阻损耗极小的大功率传输 。在高强度磁场下，超导体的电流密度超过铜的电流密度，这表明超导电机单机输出功率 可以大大增加。在同样的电机输出功率下，电机重量可以大大下降。小型、轻量、输 出功率高、损耗小等超导电机的优点，不仅对于大规模电力工程是重要的，而且对于航海 、航空的各种船舶、飞机特别理想。 ☆在核能开发中的应用 若想利用热核反应来发电，首先必须解决大体积、高强度的磁场问题。产生这样磁场的磁 体能量极高，结构复杂，电磁和机械应力巨大，常规磁体无法承担这一任务。只有通过超 导磁体产生强大的磁场，将高温等离子体约束住，并且达到一个所要求的密度，这样才可 以实现受控热核反应。
超导理论能较好的说明超导现象和第一类超导体的性质，但是尚不能完满解决完全抗 磁性的问题，随着超导材料的发展，BCS理论出现很多不足，超导理论尚不成熟。
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四.超导材料分类
☆超导材料包括的材料大类：常规超导体（如铌钛合金）高温超导体（如YBa2Cu3O7-x）、 非晶超导材料、复合超导材料（如超导线带材料）、重费米子超导体（如 CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等） ☆按临界转变温度来分 1.低温超导材料 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 。在常压下有28中元素具有超导特性，其中铌和铅在实际中应用较广.合金系低 温超导材料是以为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，TC在9K以上。如铌锆合金，铌 钛合金。超导化合物有如Nb3Sn ，V3Ga 等。 2.高温超导材料 具有高临界转变温度(TC>77K)在液氮温度条件下工作的超导材料,主要为多元系氧化物 包括铋系、钇系、铊系、汞系等高温超导体系，如钇钡铜氧系材料。 ☆按超导体的磁化特性不同可分为两类： 第一类超导体在低于临界磁场HC的磁场H重处于超导态，表现出完全抗磁性，即在超导内 部B=0；在高于HC的磁场中则处于正常态。 第二类超导体有两个临界磁场：下临界磁场HC1和上临界磁场HC2。当外加磁场低于HC1时， 第二类超导体也表现出完全抗磁性；当外磁场达到HC1时，就失去完全抗磁性，磁力线开 始穿过超导体内部，在达到HC2之前，超导体内的部分区域转变为正常态，其余仍处于超 10 导态，此称为混合态。在混合态时，超导体既具有抗磁性（不完全），又仍没有电阻 。当H=HC2时，超导区消失，整个材料都变为正常态。
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5.3低温超导体
(3)化合物超导体
一般为金属间化合物(过渡族金属元素之间形成 )
金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场
一般比合金超导体的高 (Nb3Sn 化合物临界温
度可达18K)—用作强磁场超导材料
但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带
材或线材。
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5.3低温超导体
(3)化合物超导体 Nb3Sn超导化合物：高的临界温度（～18K），高 临界磁场（4.2K下，～22.1T），高临界电流 （ 10T 下，～ 4.5×105A/cm3 ），用来制作 8 ～ 15T的超导磁体。 超导性能与化学成分、制备方法、热加工工艺等 密切相关。
5.1超导材料的基本性质与理论基础
三个基本的临界参量
临界温度Tc——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。目前，临界温 度最高值已提高到150K左右。 临界磁场Hc——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。 临界电流Ic和临界电流密度Jc——通过超导材料的电流达 到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表 示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所 承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
研究小组发现金属间化合物MgB2具有超导电性， 超导转变温度高达39K。
二硼化镁结构简单，易于制作和加工，有着广阔
的应用前景。
迄今为止， MgB2的超导转变温度是简单金属化
合物中最高的。
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5.3低温超导体
MgB2超导材料块材的制备（固相法）
日本秋光纯: 99.9％Mg＋99％B MgB2 （压制成小球＋高压氮气加热） 中国科学院： Mg(分析纯)＋B(单质) MgB2(高纯) （用铂金包裹,T=1173K,P=3.0GPa,烧结t=10～30min) 兰州大学 Mg(过量10％分析纯)＋B(非晶) MgB2(高纯) （用钽箔包裹,T=1073K,烧结t=4h）
才能发生超导现象。
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物体是否为超导体的实验判据
电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线
实 例
水银的零电阻效应 MgB2的x-T曲线
锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容
5.2 第Ⅰ类超导体和第Ⅱ类超导体
超导材料的分类——按其在磁场中的磁化行为可分成两类
第一类超导体：在磁场H到达Hc临界磁场之前，具有完全的
响而遭到破坏，就失去了超导性。 以上就是著名的BCS理论，它表现了目 前许多科学家对超导现象的理解，但这并不
是最终答案，不能解释30K以上超导现象。
高温超导体的发现又需要人们进一步探索超
导的奥秘。
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5.3低温超导体
(1) 元素超导体
在低温常压下，具有超导特性的元素共有 32种，由于 Tc 太低，无太大实用价值。Nb最高，仅为9.26K
1986年——瑞士苏黎世IBM实验室以及朱经武发现Tc=52K的 BaLaCuO。
1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。 1988~2000年——高温超导迅猛发展，Tc不断升高，已达132K。
3
4
5.1 超导材料的基本性质与理论基础
完全导电性 完全抗磁性
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5.3低温超导体
(2)合金超导体(第二类超导体) 特点：具有较高的 Tc和高的 Hc及Ic；机械强度高、 应力应变较小、塑性好、成本低易于大量生产的 超导体，在超导磁体、超导大电流输送等得到实 际应用。 超导合金主要有钛 Ti- 钒 V、铌 Nb- 锆 Zr、钼 MoZr、Nb-Ti等合金系。
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，使其恢复到具有正 常电阻的常导态。 高温超导陶瓷亦属于第二类超导体。一般来说，第二类超 导体的临界温度Tc、Hc、Jc 要比第一类超导体的高得多。
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第二类超导体和第一类超导体的区别主要在于： 第二类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间 态（混合态）； 第二类超导体的混合态中有磁通线存在，而第一类
特性二：完全抗磁性（迈斯纳效应），不论开始时有无外 磁场，只有T＜Tc，超导体变为超导态后，体内的磁感应 强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，这种 现象称为迈斯纳效应。
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超导体排斥力使永久磁环悬浮
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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。
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1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界温度Tc
超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突 然变为零时的温度。 由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定 的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导 材料的临界温度用四个参数表征。
越均匀纯净的样品
超导转变时的电阻
陡降越尖锐。
汞在液氦温度附近电阻的变化行为 14
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5.3低温超导体
二硼化镁（MgB2）超导体的发现
不足之处：磁场会严重影响MgB2的超导性能，大 大降低它所能承载的最大电流。
美国科学家在MgB2中掺入了一点氧，结果发现
其抗磁能力大大增加，Ic也有所提高。
英国科学家则使用质子束轰击MgB2 ，以打乱其
晶体中原本有规则的原子结构，使磁场对MgB2超 导性能的影响力下降。
导电性和可逆的迈斯纳效应。 H＜Hc时．完全抗磁性；H＞Hc时，超导态转为常导态 B=0(H+M)
混合态
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5.2 超导材料的基本性质与理论基础
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，
H<Hc1:零电阻,完全抗磁性,与第一类超导体一样
Hc1<H<Hc2: 磁场透入深度增大。仍然具有零电阻，但不具
隧道效应
5
5.1 超导材料的基本性质与理论基础
特性一：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”。
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5.1超导材料的基本性质与理论基础
5.1 超导材料的基本性质与理论基础
特性四：同位素效应，同位素的质量越大，转变温度越低。 例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18K，而原 子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K。 材料由正常态转变到超导态，其晶体结构不变，而同位素 的差别主要在于原子核的质量。因此，超导材料中的同位 素效应表明了传导电子与晶格振动的相互作用是很重要的 问题，通常我们也可以用同位素效应来鉴别材料的超导电 性。
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5.3低温超导体
(3)化合物超导体 Nb3(Al,Ge)化合物： (Nb3Ge临界温度23.2K) 特点：高临界磁场（ 4.2K 下，～ 42T ），是现有 超导材料中最高的；较低的临界电流（103～ 104A/cm3。
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5.3低温超导体
二硼化镁（MgB2）超导体的发现
2001年1月10日，日本青山学院大学教授秋光纯的
超导体没有；
第二类超导体比第一类超导体有更高的临界磁场、
更大的临界电流密度和更高的临界温度。
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超导体的微观机制 1.4.1 BCS理论
1957年 J.巴丁(美) L.N.库珀(美) J.R.斯莱弗 (美) 提出所谓BCS理论的超导性理论。 (1972年获诺贝尔物理学奖)
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BCS理论 常规导体电阻的成因：
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5.4 高温超导体
1986 年后发现了更高临界温度的超导体，如 YBaCuO （Tc＝90K）、TiBaCaCuO（Tc＝120K） 等 。 最 大 缺 点 为 脆性大，加工困难。 高温超导材料：Tc＞77K（液N温度）
第五章 超导材料
迈斯纳效应的磁悬浮试验
1
第五章 超导材料
有些物质在一定的转变温度 Tc 以下直流电阻 转变为零的状态，同时有完全抗磁性，这就 是所谓的超导（电）现象。 在一定条件下（温度、磁场、电流等）具有 超导电性的材料称为超导材料。
2
5.1 超导研究历史
1911年——昂内斯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。 1953—1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等。1969年，超导纤维研制成 功。1957年，BCS理论被提出。 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-xOห้องสมุดไป่ตู้。
实际超导材料的临界温度参数
1.4.5. 超导体的临界条件
起始转变温度Tc(onset) 转变温度宽度ΔTc 零电阻温度Tc(R=0)
中间临界温度Tc(mid)
超导材料的临界温度
超导临界磁场强度Hc
1.4.5. 超导体的临界条件
临界磁场强度为温度的函数，表达式为：
T H c H c0 1 T2 c (T Tc )