超导材料基础知识介绍
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。
物理学中的超导材料及其应用
物理学中的超导材料及其应用超导物理在现代物理学中占有重要地位，超导材料也因其独特的物理性质和广泛的应用而备受关注。
本文将介绍超导材料的基本概念和特性，并探讨其在电子工业、医学和能源等方面的应用。
一、超导材料的基本概念和特性超导材料是指在低温下电阻为零的一类材料，主要基于超导现象。
当一个物体被冷却到超导温度以下时，它的电阻将清零，电流将通过材料而不损失任何能量。
具有这种特性的材料称为超导材料。
超导物理的关键是超导电性。
超导电性是指在某些材料中，当它们被冷却到温度以下的临界温度时，它们的电阻突然清零，并且它们能够通过电流而不发热。
最初，超导体只能在极低温度下工作，如液氮温度（约77K），但现在有些超导材料可以在室温下或较高温度下发挥超导效应。
除了电阻为零和超导现象外，超导材料还具有其他一些特性。
例如，它们有很强的磁场排斥效应，被称为“迈斯纳效应”。
迈斯纳效应可用于制造超导磁体，这些磁体能够产生极强的磁场，从而用于研究宇宙、医学、地质学、环境科学等领域。
二、超导材料的应用1.电子工业超导电子元件是超导材料的一个主要应用领域。
在这些元件中，超导材料被用于传输电流和信息，如超导线圈、电阻器、滤波器等。
它们的主要优点是高效能、节能、体积小、重量轻等。
超导电材料还可以被用于生产微波和其他高频电子元件，这些元件在通讯技术中广泛应用。
2.医学应用超导材料在医学领域中也有广泛应用，超导磁体是其中一个例子。
超导磁体的强大磁场可以用于产生高品质的医学影像，例如磁共振成像（MRI）和其他医学成像技术。
另外，超导电性还可以被用于治疗癌症和其他疾病，如超导加速器是医学放射学的基本设备之一。
3.能源应用超导材料不仅可以成为能源的传送介质，还可以被用于发电。
腔型超导磁体是将超导材料用于发电的实际应用之一。
超导磁体将水变成高速运动的离子，并通过强磁场来产生电力。
这种技术比传统的热能发电技术效率高。
4.其他应用超导材料还被用于核磁共振（NMR）和超导量子计算机技术。
超导材料与应用
超导材料与应用超导材料是指在特定温度和电场下会出现零电阻和完全磁场排斥的材料。
这些材料可以用于制造超导电缆、磁体、感应器等许多设备。
现在，超导材料已经成为研究的热点，不仅在科研领域得到广泛应用，在工业领域也得到了很好的发展。
本文将从材料基础知识、超导材料种类和应用等方面出发，对超导材料进行阐述。
一、材料基础知识超导材料的基础理论和研究方法可以追溯到1911年荷兰物理学家海克·卡末林发现的超导现象。
1923年，美国物理学家罗伯特·沃森·怀特首次提出超导磁化曲线的概念。
之后，随着研究的推进和技术的发展，人们开始对超导材料进行深入的研究。
从化学组成上来看，超导材料可以分为金属超导材料、化合物超导材料和非晶态超导材料等几种类型。
其中，化合物超导材料是研究的重点之一，特别是高温超导材料，如铜氧化物超导材料和铁基超导材料，它们可以在液氮温度下实现超导。
超导材料的磁场排斥和零电阻特性是基于BCS理论和格林函数理论。
当材料的温度低于某个临界温度，之后当材料中电场的强度超过一定值时，电子在材料内相互配对，导致电阻为零。
同时，磁场也排斥在超导材料中，形成磁场排斥作用，这种作用是超导材料应用的关键。
二、超导材料种类按照超导材料的基础组成，可以将其分为金属超导材料、化合物超导材料和非晶态超导材料三类。
（1）金属超导材料金属超导材料是用金属元素制成的超导材料，其中最为常见的是铝和铅。
金属超导材料的超导温度较低，只能在4K以下的液氦温度下实现超导。
由于金属的稳定性和寿命较短，所以金属超导材料的应用范围相对较窄，更多的是用于科研领域和实验基础研究。
（2）化合物超导材料化合物超导材料是指由多种元素组成的化合物材料，如铜氧化物超导材料和铁基超导材料。
铜氧化物超导材料是目前研究最广泛的超导材料之一，它可以在液氮温度下实现超导，对于科研和工业发展都具有重要意义。
铁基超导材料是近年来出现的新型超导材料，其超导温度高，可以在较低的液氮温度下实现超导。
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。
超导材料和超导性的基本特性
超导材料和超导性的基本特性超导材料是指在极低温下电阻为零的材料。
这种材料表现出了超导性，这是一种令人着迷的物理现象。
本文将介绍超导材料的基本特性，包括超导的温度和超导电流等方面。
1. 超导材料的分类超导材料可以分为两类：经典型超导材料和高温超导材料。
经典型超导材料是指在非常低的温度下，接近绝对零度时才表现出超导性。
高温超导材料则在相对较高的温度下即可实现超导。
2. 超导材料的超导临界温度超导材料的超导临界温度指的是材料开始表现超导性的温度。
经典型超导材料的超导临界温度都非常低，一般在几个开尔文以下。
而高温超导材料的超导临界温度则较高，可以达到数十开尔文甚至更高。
3. 超导材料的零电阻特性超导材料在超导状态下具有零电阻特性，即在电流通过时没有能量损耗。
这使得超导材料在电力输送和电子器件方面有着重要的应用。
零电阻特性可以提高能源的传输效率，并降低电路的功耗。
4. 超导材料的磁场排斥效应超导材料表现出磁场排斥效应，也称为迈斯纳效应。
当超导材料处于超导状态时，它会排斥外部磁场的进入，使得外部磁场被完全抗拒。
这种排斥效应使得超导材料在磁悬浮和磁共振等领域有着广泛的应用。
5. 超导材料的超导电流效应超导材料在超导状态下可以承载非常大的电流，且没有能量损耗。
这种超导电流效应被称为迈斯纳效应。
通过利用超导材料的迈斯纳效应，可以实现超导体电磁铁、超导磁能储存等高性能设备。
6. 超导材料的磁通量量子化超导材料在超导状态下具有磁通量量子化现象。
磁通量量子化是指超导材料对外部磁场的响应是以量子的方式进行的，磁场的变化是以离散的单位进行的。
这种量子化现象是超导材料的独特属性，被广泛用于量子计量领域。
7. 超导材料的应用超导材料的零电阻和磁场排斥效应使得其在电力输送、能源储存和磁共振成像等领域有着广泛的应用。
超导材料也在研究中用于制备超导量子比特，被视为量子计算的重要组成部分。
总结：超导材料是一种在极低温下表现出零电阻的材料，具有磁场排斥效应和超导电流效应。
超导材料介绍.正式版PPT文档
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两类超导体
第一类（I型）超导体
H
它们具有完全的迈斯纳效应（完
全的抗磁性）。如果外部磁场过 强，就会破坏超导体的超导性能。 Hc
正常态
这类超导体只有两个态，即低温 超导态和正常态。主要是金属超
超导态
导体。
0
Tc
T
第二类（II型）超导体
主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁 场，即下临界场Hc1和上临界场Hc2。允许磁场通过。
Superconductivity survives 用于德国常导磁悬浮列车系列.
因为这个家族的分子式中金属元素的个数分别为1，2和3，所以人们把这三种家族称为123超导体家族。
物体是否为超导体的实验判据 四、超 导 材 料的应用
up to the
镧、钇、铋、铊等系列氧化物陶瓷及一些长链或环状结构的有机物 外磁场在试样表面产生感应电流（b）。 2223相（Tl2Ba2Ca2Cu3O10）的超导转变温度为125K。
1908年成功地液化了氦气，1911年发现了
某些金属在液氦温度下电阻突然消失，即
昂内斯(中间白衣者)在他
“超导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
所创立的低温实验室内
氧 氮 氮 Hg 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。
弱连接超导体：S-I-S
超导隧道结（约瑟夫森结）示意图 两超导体中间的绝缘（真空，正 常）层也能让超导电流通过的现 象叫超导隧道效应。
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。
超导材料用途
超导材料用途超导材料是一种在极低温下电阻为零的材料，其独特的性质使其在许多领域得到了广泛应用。
本文将介绍超导材料的基本原理、分类以及在电力、医疗和科学研究领域的应用。
一、超导材料的基本原理和分类超导材料的基本原理是通过降低材料温度，使电子在材料内部减少碰撞，从而减少电阻。
当材料温度降至超导临界温度以下时，电流可以在材料内部无阻碍地流动。
超导材料可以分为经典超导材料和高温超导材料两类。
经典超导材料的临界温度一般在4K以下，常见的经典超导材料有铜、铝、铅、银等。
这些材料的超导性质已经被广泛研究和应用，例如在超导磁体、超导电缆、超导电子学等领域。
高温超导材料的临界温度在77K以上，最高可达到135K。
高温超导材料的发现和研究是一个重大的科学事件，也是超导领域的一个重大突破。
高温超导材料具有更高的临界温度和更好的超导性能，可以在更高的温度下工作，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
二、超导材料在电力领域的应用超导材料在电力领域的应用是其中最为广泛的领域之一。
超导电缆、超导变压器和超导磁体是超导材料在电力领域的主要应用。
1. 超导电缆超导电缆是一种利用超导材料的无电阻特性传输电能的电缆。
相比传统电缆，超导电缆可以大幅提高输电效率、降低输电损耗和减少输电线路的占地面积。
超导电缆被广泛应用于城市电网、电力输电和交通运输等领域。
2. 超导变压器超导变压器是一种利用超导材料的无电阻特性实现能量传输的变压器。
超导变压器相比传统变压器，可以大幅减少能量损耗和体积，提高能量传输效率。
超导变压器被广泛应用于电力输电、能源储存和电动汽车等领域。
3. 超导磁体超导磁体是一种利用超导材料的强磁场特性制造的磁体。
超导磁体具有极高的磁场强度和稳定性，可以被广泛应用于核磁共振、医疗诊断、磁浮列车和磁约束聚变等领域。
三、超导材料在医疗领域的应用超导材料在医疗领域的应用主要包括核磁共振成像（MRI）和磁控治疗等方面。
1. 核磁共振成像（MRI）核磁共振成像是一种利用超导磁体产生的强磁场和射频信号产生的影像技术。
超导材料及其应用
超导材料及其应用随着科技的不断发展，材料科学作为核心科学的地位也不断得到提升。
而超导材料作为其中的一种，具有其独特的物理和化学性质，在现代化学、物理和工程学等领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍超导材料的基本概念、性质和应用。
一、超导材料的基本概念超导材料是指在低温下电阻突然减为零的材料。
其存在的最初发现可追溯到上世纪初，直至1957年，超导磁体开始获得大规模的制备，成为超导现象得到广泛认知的重要契机。
超导现象的机理是由于在超导材料中，电子会形成一种称为超导电子的流体，这个流体不受杂乱的电场的干扰，可以自由地穿过材料，从而使材料的电阻下降到极低（甚至为零）的程度。
这个超导电流可以通过限制材料的板宽、有效截面积和磁场的强度来掌控和增强。
二、超导材料的性质超导材料的最基本特征是它可以产生零电阻。
其次，超导电流可以通过材料运行，而不会发热和损失电能。
这些特性使得超导材料在能量传输、储存、转换和检测等方面有广泛的应用。
超导材料也具有强磁性。
当超导电流流过材料时，其活动磁场本身就可以生成磁场。
这种现象称为超导磁体效应。
由于超导电流的磁场极其强大，超导磁体可以产生比任何其他磁体更大的磁场，因此在医学、物理和地质学等领域中得到了广泛的应用。
三、超导材料的应用超导材料在各种领域中有着重要的应用。
在能源转换和储存方面，超导磁体经常用于生产电力和电解水。
超导电子也常常用于开发新的电池技术，以实现高效能量储存和运输。
在空间探索中，超导材料被广泛应用。
例如，在地球观察、气象学和气候学方面，超导瞬变探测器（STJ）可以探测到空间中的高能粒子和辐射。
这些信息可以用来研究太阳和其他天体的活动，进一步理解宇宙的演化。
在医学和安全检查领域，超导技术用于制造MRI和其他医学影像技术。
这些技术可以对人体结构和生理过程进行详细的观察，从而更准确、更安全地诊断疾病、探测病变和治疗病症。
在电子设备和通信方面，超导材料已经用于开发高性能的超导变压器、微波器和通信应用。
超导材料的种类及应用文库
超导材料的种类及应用文库超导材料是指在低温下具有零电阻和完全磁场排斥现象的材料。
根据其不同的化学成分和结构，可以将超导材料分为不同的种类。
下面将详细介绍几种常见的超导材料及其应用。
1. 金属超导体：金属超导体是超导材料中最早被发现和研究的一类。
代表性的金属超导体有铅、锡、汞等。
金属超导体的电阻在超导转变温度以下会突然消失，且它们的临界温度相对较低，通常在几开尔文以下。
由于金属超导体主要用于低温实验和超导磁体制造，其实际应用领域相对较小，但铅超导体广泛应用于超导电子元器件和低温实验领域。
2. 陶瓷氧化物超导体：陶瓷氧化物超导体是指由多种金属氧化物组成的复合材料，如铜氧化物、钡氧化物和镧系氧化物等。
相较于金属超导体，陶瓷氧化物超导体的临界温度更高（一般在20-135开尔文之间），同时具有较高的临界电流密度和强磁场耐受能力。
这使得陶瓷氧化物超导体在电能输送、强磁场技术、医学成像等领域有着广泛的应用。
例如，钇钡铜氧化物超导体常被用于制造超导电缆和电力设备，铁基超导体被用于开发高温超导电磁材料。
3. 铜氧化物和铁基超导体：铜氧化物超导体是目前研究最为广泛的一类超导材料。
这些材料的超导转变温度较高，一些铜氧化物超导体的临界温度甚至高达133开尔文。
铜氧化物超导体具有高临界电流密度和超导性能稳健性，因此在电力输运和能源领域有着重要的应用潜力。
相比之下，铁基超导体是近年来新发现的一类具有高温超导性的材料。
铁基超导体的临界温度也相对较高，且电子结构更为复杂，因此其超导机制仍在研究中。
铁基超导体在能源转换、磁性材料和电子器件等领域显示出巨大的应用潜力。
总之，超导材料种类繁多，其中金属超导体、陶瓷氧化物超导体、铜氧化物超导体和铁基超导体是最常见和重要的几类。
这些超导材料在电力输送、能源转换、磁性材料、电子器件和低温实验等领域都有着重要的应用。
随着对超导理论和材料研究的不断深入，相信超导技术将在更多领域得到应用和推广。
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
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。
超导材料的分类和特征
超导材料的分类和特征引言超导材料是一类具有特殊电学性质的材料，其在低温下能够表现出零电阻和完全磁场排斥的特征。
自从超导现象首次被发现以来，科学家们对超导材料进行了广泛的研究，并取得了许多重要的突破。
本文将介绍超导材料的分类和特征，以及一些相关的研究进展。
一、超导材料的分类超导材料可以根据其超导性质的不同进行分类。
根据超导材料的临界温度可以将其分为低温超导材料和高温超导材料。
1. 低温超导材料低温超导材料是指其临界温度低于室温的超导材料。
最早被发现的超导材料属于低温超导材料，如铅和汞等。
这些材料的临界温度通常在几个开尔文以下，需要使用液氦等极低温介质来维持其超导性质。
低温超导材料的研究历史悠久，其超导机制也较为成熟。
2. 高温超导材料高温超导材料是指其临界温度高于室温的超导材料。
这类材料的发现在1986年引起了科学界的轰动，因为它们的临界温度远高于低温超导材料，使得它们在实际应用中更具有潜力。
高温超导材料的研究相对较新，其超导机制仍然存在一定的争议。
二、超导材料的特征超导材料具有许多独特的特征，这些特征使其在科学研究和应用领域具有重要价值。
1. 零电阻超导材料在超导态下具有零电阻的特征，即电流可以在其内部无阻碍地流动。
这种零电阻特性使得超导材料在电力输送和电子器件等领域具有广泛的应用前景。
例如，超导电缆可以大大提高电力输送的效率，并减少能源的损耗。
2. 完全磁场排斥超导材料在超导态下还具有完全磁场排斥的特性，即磁场无法进入其内部。
这种特性被称为迈斯纳效应，是超导材料另一个重要的特征。
迈斯纳效应使得超导材料在磁共振成像和磁悬浮等领域具有广泛的应用。
3. 超导相变超导材料在临界温度以下发生超导相变，从正常态转变为超导态。
这种相变过程伴随着一些特殊的物理性质的出现，如零电阻和完全磁场排斥。
超导相变是超导材料研究的重要课题之一，对于揭示超导机制和开发高温超导材料具有重要意义。
4. 超导态的稳定性超导材料在超导态下具有较高的稳定性，即一旦进入超导态，除非超过临界温度，否则会一直保持超导性质。
超导材料与超导体系
超导材料与超导体系超导是物理学中的一个非常重要的领域，它的应用可以覆盖电子、天文学、磁学等多个领域。
超导材料和超导体系是超导研究的两个重要方面，本篇文章就着重介绍超导材料和超导体系的相关知识。
一、超导材料超导材料是指在低温下把电阻降到零的材料。
在超导材料中，电子会形成电子对，这些电子对能够通过涡旋和振荡相互作用来维持其超导的状态。
超导材料具有许多出色的性能，包括高电流密度、高磁通密度、零电阻等。
这些性能使得超导材料被广泛应用于医学成像、磁暴防护、能源输送等方面。
超导材料的分类:1、金属超导体金属超导体是最早被发现的超导材料之一，由于其较好的超导性能，因此在许多领域得到了广泛应用。
常见的金属超导体有铝、铅等。
2、合金超导体合金超导体是由多个元素组成的超导材料，其超导性能通常比单一金属超导体更优秀。
常见的合金超导体有Nb3Sn、V3Si等。
3、氧化物超导体氧化物超导体是一种类金属硅酸盐结构材料，由于其较高的超导转变温度和较大的超导电流密度，因此被广泛应用于MRI、密封磁体等领域。
常见的氧化物超导体有YBCO（钆钡铜氧气化物）、Bi-2212等。
4、有机超导体有机超导体主要是指含有有机分子的超导材料。
由于其较高的超导转变温度和优良的电性质，因此在传感器、有机电子学和光电子技术等领域得到广泛应用。
常见的有机超导体有TTF-TCNQ、BEDT-TTF等。
二、超导体系超导体系是指包括超导材料、超导器件、超导电路等在内的综合性超导系统。
超导体系的研究可以为超导技术的应用提供基础技术支持。
超导体系包括以下几个方面:1、超导磁体超导磁体是超导体系中最重要的部分之一。
它是利用超导材料产生极高电流、远超常规电气容量的一种电性设备，广泛应用于核磁共振、医学成像、加速器等领域。
在高能物理实验中，超导磁体可以产生超巨型磁场，被视为重要的发展方向。
2、超导电路超导电路是将超导材料制成的电器元件，其具有零电阻、高导磁率等优异的超导特性。
超导材料
储能环—可用于瞬时放电 优点：功率大、质量轻、体积小、损耗小、反应 快
大功率激光器
超导材料——电子学应用
原理： 因电“库柏对”的隧道效应， 用厚度为0.2纳米的绝缘层把 两地超导体间隔开后再结合。 形成SIS结时，会产生在电压 为零时也会出现导电流的现象。 这一现象被称为约瑟夫逊效应。 超导计算机
BCS理论把超导现象看作一种宏观量子效应。金属中自旋 和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀 对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。
超导材料历史来源
超导的发现和发展，与低温的获得密切相关。传统的低 温环境主要依靠液化气体来实现，如液氢的沸点是20 K。 1908年，荷兰莱顿实验室的昂内斯（Karmerlingh Onnes）等将最难液化的气体——氦气成功液化，并获 得液氦的沸点为4.2 K。通过液氦进一步节流膨胀技术可 以获得低至1.5 K的低温环境。
超导材料及应用
制作：黄文峰
简介
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。 特性：零电阻，抗磁性
Tc临界温度
超导原理
临界温度：导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变 温度。超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定 的关系。
超导的微观理论（BCS）：
区别：此处采用的高温超导材 料属于二型超导体。对于二型 超导体，存在两个临界场—— 下临界场Hc1和上临界场Hc2。 当外磁场H小于Hc1时，产生 完全的抗磁性，体内磁场为0； 当外磁场H介于Hc1和Hc2之 间时，会有部分磁场穿透超导 体，产生穿透的位置是量子化 的。
超导磁流体推进器
超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体动能，以喷 射推进取代传统螺旋桨推进的新技术。
超导材料汇总
3、高温超导的结构与性能
➢ 钙钛矿特点 ➢ 高超晶体结构 ➢ 晶场配位 ➢ 电子结构 ➢ 缺陷和掺杂 ➢ 结构共性
l (1)、前言：
l J.Barden, L.Cooper and R.Schrieffer
BCS理论表述：
l
超导电性源于固体中电子的配对，而
电子配对的相互吸引作用源于电子和晶格
振动间相互作用，即交换虚声子； 配对发
生在自旋相反动量和为零的两个电子间，
即动量 凝聚。
BCS产生背景：
l 1. 零电阻 (R=0)
有机超导： l 1980年
l
l 1987年
l
l 1990年
Jerome, (TMTSF)2PF6高压 Tc=0.9K
(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2 Tc=7.8K
C60
1986年：
l
“possible high Tc superconductor in
the Ba-La-Cu-O”, 35K, IBM，钙钛矿结构
SrTiO3、LaAlO3绝缘体
78年：Bednorz和Binning，SrTiO3掺Nb， 增加载流子浓度n=21020和电声耦合，
l Tc约1.2K，中止。 l Müller氧化物晶体中结构相变 78年到Yorktown IBM从事超导18个月
80年回到瑞士
83年Bednorz开展氧化物超导 l 他受schneider关于金属氢超导的理论，
l 缺氧化合物的催化性，没有观察低温
l 下。Bedmorz顺利制出BaLaCuO(硝酸
l 盐中加草酸，沉淀物加热分解固化，
l
900C还原下生成 BaxLa5-xCu5O5(3-y)）。
l 未测抗磁性。
超导材料电阻率
超导材料电阻率
（原创版）
目录
1.超导材料的定义和特性
2.超导材料的电阻率
3.超导材料的应用领域
4.我国在超导材料研究方面的进展
正文
一、超导材料的定义和特性
超导材料是指在低温下电阻为零的材料，具有超导特性。
超导现象是指某些材料在低温下电阻突然变为零的现象，这是由于在低温下，材料的内部电子配对并形成电子对凝聚态，这些电子对在材料内部自由流动，形成超导电流。
二、超导材料的电阻率
超导材料的电阻率是衡量超导材料导电性能的重要参数。
一般来说，超导材料的电阻率越低，其导电性能越好。
根据电阻率的不同，超导材料可以分为高温超导材料和低温超导材料。
高温超导材料的电阻率在液氮温度（77 K）以上，而低温超导材料的电阻率在液氦温度（4 K）以下。
三、超导材料的应用领域
超导材料具有广泛的应用前景，主要包括以下几个领域：
1.超导磁体：超导磁体具有高磁场强度、高稳定性和低能耗等特点，广泛应用于粒子加速器、核磁共振成像仪、磁悬浮列车等设备中。
2.超导电缆：超导电缆具有低电阻、高传输效率和减小输电线路占地面积等优点，可用于城市电网、输电线路等领域。
3.超导传感器：超导传感器具有高灵敏度、高分辨率和低噪声等优点，可用于地震探测、生物医学等领域。
4.超导能量存储系统：超导能量存储系统具有高功率密度、高能量效率和长寿命等特点，可用于智能电网、电动汽车等领域。
四、我国在超导材料研究方面的进展
我国在超导材料研究方面取得了一系列重要成果。
例如，我国科学家成功研制出高温超导材料，打破了国外技术垄断。
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超导材料基础知识介绍超导材料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。
现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。
主要有以下性能。
①零电阻性：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生电流，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。
②完全抗磁性：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。
③约瑟夫森效应：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。
当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。
这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
基本临界参量有以下 3个基本临界参量。
①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。
②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。
③临界电流和临界电流密度：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。
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Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc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Tc提高到35K。
之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。
这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。
分类超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。
①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。
电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
②合金材料：超导元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的全部性能提高。
如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。
继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，在给定磁场能承载更大电流。
其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特(4.2K)。
目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。
铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。
③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。
如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。
其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。
④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。
1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc 处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。
应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。
但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。
到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。
②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。
③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。
利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。
1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。
某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。
超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。
现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。
如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。
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。
1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。
掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。
全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。
1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。
1987年1月初，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。
中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。
2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。
2月20日，中国也宣布发现100K以上超导体。
3月3日，日本宣布发现123K超导体。
3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。
3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。
很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。
高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。
氮是空气的主要成分，液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100。
液氮制冷设备简单，因此，现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却，但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。
超导科学研究1.非常规超导体磁通动力学和超导机理主要研究混合态区域的磁通线运动的机理，不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系，临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。
超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T<Tc时用强磁场破坏超导达到正常态时的输运性质等。
对有望表现出高温超导电性的体系象有机超导体等以及在强电方面具有广阔应用前景的低温超导体等，也将开展其在强磁场下的性质研究。
2.强磁场下的低维凝聚态特性研究低维性使得低维体系表现出三维体系所没有的特性。
低维不稳定性导致了多种有序相。
强磁场是揭示低维凝聚态特性的有效手段。
主要研究内容包括：有机铁磁性的结构和来源；有机（包括富勒烯）超导体的机理和磁性；强磁场下二维电子气中非线性元激发的特异属性；低维磁性材料的相变和磁相互作用；有机导体在磁场中的输运和载流子特性；磁场中的能带结构和费米面特征等。
3.强磁场下的半导体材料的光、电等特性强磁场技术对半导体科学的发展愈益变得重要，因为在各种物理因素中，外磁场是唯一在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间对称性的物理因素，因而在半导体能带结构研究以及元激发及其互作用研究中，磁场有着特别重要的作用。
通过对强磁场下半导体材料的光、电等特性开展实验研究，可进一步理解和把握半导体的光学、电学等物理性质，从而为制造具有各种功能的半导体器件并发展高科技作基础性探索。
4.强磁场下极微细尺度中的物理问题极微细尺度体系中出现许多常规材料不具备的新现象和奇异特性，这与这类材料的微结构特别是电子结构密切相关。
强磁场为研究极微细尺度体系的电子态和输运特性提供强有力的手段，不但能进一步揭示这类材料在常规条件下难以出现的奇异现象，而且为在更深层次下认识其物理特性提供丰富的科学信息。
主要研究强磁场下极微细尺度金属、半导体等的电子输运、电子局域和关联特性；量子尺寸效应、量子限域效应、小尺寸效应和表面、界面效应；以及极微细尺度氧化物、碳化物和氮化物的光学特性及能隙精细结构等。
5.强磁场化学强磁场对化学反应电子自旋和核自旋的作用，可导致相应化学键的松驰，造成新键生成的有利条件，诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，获得原来无法制备的新材料和新化合物。
强磁场化学是应用基础性很强的新领域，有一系列理论课题和广泛应用前景。
近期可开展水和有机溶剂的磁化及机理研究以及强磁场诱发新化学反应研究等。
6.磁场下的生物学、生物－医学研究等磁体科学和技术强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。
八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。
这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的（获85年诺贝尔奖）。
量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情，并在建立电阻的自然基准，精确测定基本物理常数e，h和精细结构常数(＝e2/h(0c等应用方面，已显示巨大意义。
高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。
熟悉物理学史的人都清楚，由固体物理学演化为凝聚态物理学，其重要标志就在于其研究对象的日益扩大，从周期结构延伸到非周期结构，从三维晶体拓宽到低维和高维，乃至分数维体系。