超导材料介绍PPT课件
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超导介绍及应用PPT课件
超导技术在军事工业中也可 以发挥其特有的作用，超导扫雷 具就是其中之一。超导扫雷具的 工作原理是：超导扫雷具模拟舰 船磁场特性，采用两根大电流电 缆在海水中形成电极，并与海水 组成闭合电路产生磁场，或者在 船上安装一个电磁体产生磁场， 从而得以将磁水雷引爆
(6)科学工程和实验室应用
• 科学工程和实验室是超导技 术应用的一个重要方面，它 包括高能加速器、核聚变装 置等。高能加速器用来加速 粒子产生人工核反应以研究 物质内部结构，是基本粒子 物理学研究的主要装备。
当通过超导体中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电 流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超 导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电 性所需的最小磁场
临 界 温 度
(Tc)
临界磁场
逐渐增大磁场到 H 达一定值后，超导体 会从超导态变为正常 Hc(0) 态，把破坏超导电性 所需的最小磁场称为 临界磁场，记为Hc。
超导发电机
在电力领域，利用超导线 圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到5万～6 万高斯，并且 几乎没有能量损失，这种发电 机便是交流超导发电机。超导 发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆 瓦，而体积却减少1/2，整机重 量减轻1/3，发电效率提高50％
超导限流器
超导限流器是利用超 导体的超导/正常态转变 特性，有效限制电力系 统故障短路电流，能够 快速和有效地达到限流 作用的一种电力设备。 超导限流器集检测、触 发和限流于一体，反应 速度快，正常运行时的 损耗很低，能自动复位， 克服了常规熔断器只能 使用一次的缺点 。
巴丁、库柏、施里弗
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝 尔物理奖
BCS理论的三个观点
(6)科学工程和实验室应用
• 科学工程和实验室是超导技 术应用的一个重要方面，它 包括高能加速器、核聚变装 置等。高能加速器用来加速 粒子产生人工核反应以研究 物质内部结构，是基本粒子 物理学研究的主要装备。
当通过超导体中的电流达到某一特定值时， 又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电 流称为临界电流 临界磁场(Hc): 逐渐增大磁场到达一定值后，超 导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电 性所需的最小磁场
临 界 温 度
(Tc)
临界磁场
逐渐增大磁场到 H 达一定值后，超导体 会从超导态变为正常 Hc(0) 态，把破坏超导电性 所需的最小磁场称为 临界磁场，记为Hc。
超导发电机
在电力领域，利用超导线 圈磁体可以将发电机的磁场强 度提高到5万～6 万高斯，并且 几乎没有能量损失，这种发电 机便是交流超导发电机。超导 发电机的单机发电容量比常规 发电机提高5～10倍，达1万兆 瓦，而体积却减少1/2，整机重 量减轻1/3，发电效率提高50％
超导限流器
超导限流器是利用超 导体的超导/正常态转变 特性，有效限制电力系 统故障短路电流，能够 快速和有效地达到限流 作用的一种电力设备。 超导限流器集检测、触 发和限流于一体，反应 速度快，正常运行时的 损耗很低，能自动复位， 克服了常规熔断器只能 使用一次的缺点 。
巴丁、库柏、施里弗
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝 尔物理奖
BCS理论的三个观点
第三章超导材料-PPT
超导体发展简史
1986年: LaBaCuO(铜氧化物超导体); Tc达35K;
1987年: YBaCuO; Tc为92K,进入液氮温区;
1993年: HgBaCaCuO; Tc为135K(高压下163K);
有机超导体 1、 电荷转移复合物:最高Tc为12、5K; 2、 掺杂C60:钾掺杂—18K;铷掺杂— 28K;铯铷掺杂— 33K; 氯仿与溴仿结合C60— 117K; 3、 氧化聚丙烯:300K —700K; 4、 掺杂了钾与铷得菲:5K
B B0
Bx B0exp - x
B0 e
X O
磁场强度降为B0/e处距离超导体表面距离,称为穿透深度,通常用 表示; 在X > 区间:认为磁感应强度衰减到零;在0 < X < 区域,磁场可以穿透;
穿透深度约为10-5 ~10-6 cm。
由于超导体得完全抗磁性,在 X > 区域,磁力线不能穿过,因此电流不能由 超导体内通过,只能在表面穿透深度 得范围内流动;
Superconductor
② Hc1< H < Hc2: 超导体失去完全抗磁性,磁力线开始穿过超导体内部;并且随着外磁场得增大,
进入超导体内得磁力线逐渐增多;
Superconductor
H
超导区
正常区
磁力线进入超导体内,说明超导体内部分区域转变为正常态,其余部分仍处于 超导态,称这时得超导体处于混合态;
Schrieffer将电子对得物理图像与当时流行得舞蹈Frug作了类比,在这种 舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但就是她们始终就是一对 。
钉扎作用可以有效得提高临界电流密度Jc,在第二类超导体中产生晶格缺陷或 掺入杂质: ➢ 用各种粒子(中子或各种离子)辐照高温超导体后,其Jc可提高两个数量级; ➢工业生产得NbTi线,临界电流密度2×10-4 ~ 10-5A/cm2,一根没有缺陷得NbTi线, 临界电流密度几乎为零。
1986年: LaBaCuO(铜氧化物超导体); Tc达35K;
1987年: YBaCuO; Tc为92K,进入液氮温区;
1993年: HgBaCaCuO; Tc为135K(高压下163K);
有机超导体 1、 电荷转移复合物:最高Tc为12、5K; 2、 掺杂C60:钾掺杂—18K;铷掺杂— 28K;铯铷掺杂— 33K; 氯仿与溴仿结合C60— 117K; 3、 氧化聚丙烯:300K —700K; 4、 掺杂了钾与铷得菲:5K
B B0
Bx B0exp - x
B0 e
X O
磁场强度降为B0/e处距离超导体表面距离,称为穿透深度,通常用 表示; 在X > 区间:认为磁感应强度衰减到零;在0 < X < 区域,磁场可以穿透;
穿透深度约为10-5 ~10-6 cm。
由于超导体得完全抗磁性,在 X > 区域,磁力线不能穿过,因此电流不能由 超导体内通过,只能在表面穿透深度 得范围内流动;
Superconductor
② Hc1< H < Hc2: 超导体失去完全抗磁性,磁力线开始穿过超导体内部;并且随着外磁场得增大,
进入超导体内得磁力线逐渐增多;
Superconductor
H
超导区
正常区
磁力线进入超导体内,说明超导体内部分区域转变为正常态,其余部分仍处于 超导态,称这时得超导体处于混合态;
Schrieffer将电子对得物理图像与当时流行得舞蹈Frug作了类比,在这种 舞蹈中跳舞者在舞池中相互分离,中间隔了许多其它人,但就是她们始终就是一对 。
钉扎作用可以有效得提高临界电流密度Jc,在第二类超导体中产生晶格缺陷或 掺入杂质: ➢ 用各种粒子(中子或各种离子)辐照高温超导体后,其Jc可提高两个数量级; ➢工业生产得NbTi线,临界电流密度2×10-4 ~ 10-5A/cm2,一根没有缺陷得NbTi线, 临界电流密度几乎为零。
超导材料 PPT
仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效 应也不能描述零电阻现象，因此，迈斯纳效应和零电阻性质是超导态的 两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时 具有零电阻和迈斯纳效应。
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：
超导材料发展历程及现行理论解释与应用.pptx
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6
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。
4
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
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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
超导材料解析PPT教学课件
2020/10/16
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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。
2020/10/16
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二 超导基本原理
• 二流体模型
·BCS理论
2020/10/16
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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。
2020/10/16
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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。
2020/10/16
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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。
2020/10/16
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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。
超导材料获奖课件
热学性质及大多数电磁性质都是这种电子配正确成果。
(2) 元素或合金旳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，它们能够从电阻率来估计，当UN(EF) << l时，BCS理论预测临界温度
：
θD为德拜温度。
(3) 一种金属假如在室温下具有较高旳电阻率，冷却时就有更大可能成为超导体。
η＝0时为完全无序，η＝1时为完全有序。
超导性质和有关理论
二级相变理论旳基础：三个基本假设
金兹堡-朗道方程
gs (H ) gn (0)
2
2
4 1 2m
i
eA 2 B2
20
BH
超导性质和有关理论
老式超导体旳微观机制- BCS理论
二流体模型，伦敦方程和金兹堡-朗道理论作为唯象理论在解释超导电 性旳宏观性质方面取得了很大成功，然而这些理论无法给出超导电性旳微 观图像。
1 ( js ) B
数形式迅速衰减为零。
超导性质和有关理论
金兹堡-朗道理论
1950年，京茨堡和朗道在二级相变理论旳基础上提出了超导电性旳 唯象理论，简称GL理论。 GL理论把二级相变理论应用于正常态与超导态旳相变过程，其独到之 处是引进一种有效波函数ψ作为复数序参量。 ｜ψ｜2 代表超导电子密度。 1937年朗道曾提出二级相变理论，以为两个相旳不同全在于秩序度旳 不同，并引进序参量η来描述不同秩序度旳两个相。
9.5
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超导材料旳种类 化合物超导体
超导材料旳种类
强磁场（电）超导材料
铌钛（NbTi）合金，Nb3Sn等金属间化合物
超导电子材料（弱电）
超导微波器件（YBCO高温超导薄膜） 超导量子干涉器件（SQUID）
高温超导课件ppt
涨落与关联：涨落与关联是高温超导物理机制中的重 要概念，涨落是指系统中的随机波动，而关联则是指 这些波动之间的相互作用。在高温超导中，涨落与关 联会影响电子的行为，促使它们形成库珀对。
涨落与关联
涨落
涨落是指系统中的随机波动，这些波 动可以影响电子的行为。在高温超导 中，涨落会影响电子的分布和运动状 态，促使它们形成库珀对。
高温超导机理的研究
深入理解高温超导的机理是推动其应用的关键，科研人员正在从微 观角度揭示高温超导的奥秘。
高温超导技术的应用研究
科研人员正在积极探索高温超导材料在不同领域的应用，以推动其 产业化进程。
THANKS
高温超导的特性
总结词
高温超导材料具有高临界温度、高载流能力、低能耗等特性。
详细描述
高温超导材料在临界温度以上表现为正常导体，而在临界温度以下则转变为超导体，实现零电阻状态。由于其高 载流能力，高温超导材料可以传输大电流而不会产生显著的能量损失。此外，由于其低能耗特性，高温超导材料 在电力传输和磁悬浮等领域具有广阔的应用前景。
传输的损耗。
医疗设备
高温超导材料在医疗设备领域也有 广泛应用，如核磁共振成像仪等， 可以提高设备的性能和精度。
交通领域
高温超导材料在交通领域的应用前 景广阔，如磁悬浮列车、高速列车 等，可以提高交通工具的运行速度 和稳定性。
高温超导的研究动态
新型高温超导材料的研发
科研人员正在不断探索新型的高温超导材料，以提高其超导温度 和稳定性。
高温超导课件
目录
• 高温超导简介 • 高温超导的物理机制 • 高温超导材料 • 高温超导的应用前景 • 高温超导的挑战与前景
01
高温超导简介
高温超导的定义
超导体(共7张PPT)
而 YBCO具有更为优异的磁场下性能，是真 第二代YBCO高温超导带材：
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，
其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
正的液氮温区下强电应用的超导材料。 研究YBCO超导块材的目标之一是利用它在超导态下的迈斯纳效应及磁通钉扎特性导致的磁悬浮力，应用于超导轴承、贮能以及磁浮列车等。
有较好晶体取向的Bi系线带材,即把Bi（Pb）-Sr-Ca-CuO粉装入金属管（Ag或Ag合金）中进行加工和热处理的
方法。
• B. 第二代YBCO高温超导带材：
由于第一代Bi系带材 的高成本以及它的一些性能
问题如磁场下临界电流的急剧衰减等，使得基于 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量高T系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（MgB2）。 高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料
• C. 新型MgB2超导线带材： 2001年1月，日本科学家发现了临界转变温度 为39 K的MgB2超导体。
3.薄膜
• 想得到性能优良的高温超导器件就必须有质量 很好的薄膜，但由于种种因素使制备高质量 高Tc超导薄膜具有相当大的困难。
高质量的外延YBCO薄膜的Tc在90K以上，零 磁场下77K时，临界电流密度已超过 1×106A/cm2，工艺已基本成熟，目前有了一 批高温超导薄膜电子器件问世。
综合制冷成本和材料成本，MgB2超导体在
20~30 K，低场条件下应用具有明显的价格优势，
超导介绍及应用PPT课件
通量将全部被排出体外，N
磁感应强度恒为零，且 不论对导体是先降温后 加磁场，还是先加磁场 后降温，只要进入超导 状态，超导体就把全部 磁通量排出体外。
S
S
N
注：S表示超导态 N表示正常态
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
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。
超导体的分类
•
在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图
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（如图元素周期
表中绿色方框所示）
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、鎘、 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。
1987年 J.G.(美) K.A.(美) 发现 新的超导材料
目录
• 一、超导现象的发现 • 二、三个重要的物理参数 • 三、超导体的物理特性 • 四、超导的微观机制(BCS理论) • 五、超导技术的应用 • 六、高温超导体的发现 • 七、超导材料 • 八、结束语
一、超导的发现
1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把 称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K 的 低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911 年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯 又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次 精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时 汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这 一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意 义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。
磁感应强度恒为零，且 不论对导体是先降温后 加磁场，还是先加磁场 后降温，只要进入超导 状态，超导体就把全部 磁通量排出体外。
S
S
N
注：S表示超导态 N表示正常态
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
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。
超导体的分类
•
在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如图
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（如图元素周期
表中绿色方框所示）
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、鎘、 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。
1987年 J.G.(美) K.A.(美) 发现 新的超导材料
目录
• 一、超导现象的发现 • 二、三个重要的物理参数 • 三、超导体的物理特性 • 四、超导的微观机制(BCS理论) • 五、超导技术的应用 • 六、高温超导体的发现 • 七、超导材料 • 八、结束语
一、超导的发现
1908年，荷兰物理学家昂纳斯首次成功地把 称为“永久气体”的氦液化，因而获得4.2K 的 低温源，为超导发现准备了条件。三年后即1911 年，在测试纯金属电阻率的低温特性时，昂纳斯 又发现，汞的直流电阻在4.2K时突然消失，多次 精密测量表明，汞柱两端压降为零，他认为这时 汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为 “超导态”。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这 一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意 义，仅仅当成是有关水银的特殊现象。
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。
9
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。
超导材料的应用举例课件
VS
详细描述
超导储能系统利用超导线圈在磁场中快速 旋转的原理，实现大容量电能的储存和释 放。由于超导材料的零电阻特性，电能传 输效率极高，充电和放电过程迅速且高效。 超导储能系统在电网调峰、分布式能源并 网等领域具有广泛的应用前景。
超导材料在磁悬浮列车中的应
04
用
磁悬浮列车的原理
磁悬浮列车利用磁场力克 服重力，使车体悬浮于轨 道之上。
超导量子计算
总结词
超导量子计算是利用超导材料实现量子比特的一种技术路线，具有可扩展性强、操作精 度高、稳定性好等优点。
详细描述
超导量子计算利用超导材料的磁通量子化和约瑟夫森效应等特性，实现量子比特的控制 和操作。由于超导材料成熟的半导体制造工艺，使得超导量子计算成为目前最有前景的
技术路线之一。
超导计算机的未来展望
利用超导材料的特殊性质，可以构建能耗极低的计算机，有 助于实现高效能计算。
超导材料在电力传输与存储中
03
的应用
超导电缆
总结词
超导电缆利用超导材料在低温下电阻为零的特性，实现电能的高效传输。
详细描述
超导电缆采用超导材料作为导体，在低温环境下，超导材料电阻为零，因此电能传输过程中几乎无损 耗，相比传统电缆能够显著提高传输效率。此外，超导电缆还具有体积小、重量轻、高可靠性等优点。
总结词
随着超导材料和技术的不断发展，超导计算 机有望在未来成为高性能计算的重要选择。
详细描述
目前，超导计算机已经在一些特定领域展现 出强大的计算能力，如天气预报、大数据分 析、人工智能等。未来，随着超导材料性能 的不断提升和制造工艺的改进，超导计算机 有望在更多领域得到应用，成为下一代高性
能计算的重要选择。
室温常压超导体知识普及ppt
目前超导磁悬浮列车技术仍面临着制冷困难、复杂性和高昂的成本等问题。实现室温常压超导体将使得超导磁悬浮列车的商业化成为可能可以大幅缩短旅行时间，提高交通运输的效率，促进经济发展和交流。
超导技术的高速列车
交通运输领域的革新
缩短旅行时间
提高交通运输的效率
除了高速列车，室温常压超导体的出现还将为其他交通工具提供改进的机会例如，电动车的发展将大幅提升电池的能量密度和充电速度，
室温常压超导体（high-temperature superconductors）是指在室温下，即摄氏零度以上，能够实现超导状态的材料。超导态是指在特定温度下，材料的电阻变为零，磁场被完全排斥，并且磁通线被束缚在超导体内。
high-temperaturesuperconductors
室温常压超导体在医疗领域具有重要意义。例如，通过使用超导磁体可以实现磁共振成像（MRI）
室温常压超导体对能源储存和分配也具有重要意义。目前，储能技术和能源分配系统面临着诸多挑战，以传统的锂离子电池为例
其储存密度相对较低，电池寿命短，充放电速度慢，无法满足大规模能源储存和分配的需求而超导体在储存过程中没有能量损耗
可实现高效的能量储存和释放实现室温常压超导体将为能源储存和分配系统提供新的技术路线，提高能源存储密度、延长电池寿命
制冷设备维持
结构与性能关系
室温常压超导体的研究对凝聚态物理领域也具有重要意义超导体的特殊性质使得其成为探索凝聚态物理的重要平台
实现室温常压超导体不仅可以展现现有材料的性质，还可以开辟新的物理现象和新材料
通过研究室温常压超导体，可以深入研究超导体的物理机制
解决材料科学中的多个重要问题，并推动凝聚态物理学的发展。
室温常压超导体（high-temperature superconductors）是指在室温下，即摄氏零度以上，能够实现超导状态的材料。超导态是指在特定温度下，材料的电阻变为零，磁场被完全排斥，并且磁通线被束缚在超导体内。
超导技术的高速列车
交通运输领域的革新
缩短旅行时间
提高交通运输的效率
除了高速列车，室温常压超导体的出现还将为其他交通工具提供改进的机会例如，电动车的发展将大幅提升电池的能量密度和充电速度，
室温常压超导体（high-temperature superconductors）是指在室温下，即摄氏零度以上，能够实现超导状态的材料。超导态是指在特定温度下，材料的电阻变为零，磁场被完全排斥，并且磁通线被束缚在超导体内。
high-temperaturesuperconductors
室温常压超导体在医疗领域具有重要意义。例如，通过使用超导磁体可以实现磁共振成像（MRI）
室温常压超导体对能源储存和分配也具有重要意义。目前，储能技术和能源分配系统面临着诸多挑战，以传统的锂离子电池为例
其储存密度相对较低，电池寿命短，充放电速度慢，无法满足大规模能源储存和分配的需求而超导体在储存过程中没有能量损耗
可实现高效的能量储存和释放实现室温常压超导体将为能源储存和分配系统提供新的技术路线，提高能源存储密度、延长电池寿命
制冷设备维持
结构与性能关系
室温常压超导体的研究对凝聚态物理领域也具有重要意义超导体的特殊性质使得其成为探索凝聚态物理的重要平台
实现室温常压超导体不仅可以展现现有材料的性质，还可以开辟新的物理现象和新材料
通过研究室温常压超导体，可以深入研究超导体的物理机制
解决材料科学中的多个重要问题，并推动凝聚态物理学的发展。
室温常压超导体（high-temperature superconductors）是指在室温下，即摄氏零度以上，能够实现超导状态的材料。超导态是指在特定温度下，材料的电阻变为零，磁场被完全排斥，并且磁通线被束缚在超导体内。
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库珀 电子对
库珀电子对通过格波相互作用， 其作用范围为10-6～10-9m；
每个库珀电子对的总动量相当， 这是零电阻产生的根源；
材料变为超导态后，电子结为 库珀对，能量降低2△，称其为 超导体的能隙。
第21页
2
=
6.4Tc
[1
T ( Tc
1
)]2
20
2
正常态
正常态
能 费米能
量
超导态
NbTi 9.5
第24页
科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元素 研究所，以约翰·尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导效 应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
第25页
合金超导体
• 组成元素都具有超导性
合金 Nb3Sn Tc (K) 18.1
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 ron
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。
第9页
1. 零电阻效应
不同导体的电阻-温度曲线
水银的零电阻效应
在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这
一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称
为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。 零电阻效应是超导态的一个基本特征。
第10页
第17页
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 up to the
upper critical field Hc2
Type II Most alloys, HTS, MgB2.
第20页
超导现象的物理本质
1957年由巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）和施 里弗（Sehriffer）合作创建了超导微观理论(BCS) 。
费米能 超导态
T＝0K,
0K<T<Tc
超导体的能隙
能隙随温度变化的曲线
第22页
三、超 导 材 料的种类
第23页
周期表中的元素超导体
大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及 一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高 临界转化温度(9.2K)；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一 类; 大多数超导合金和化合物则属于第二类。
第6页
金兹伯格
莱格特
阿布里科索夫
2003年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克谢·阿 布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔利·金兹伯格 和美国伊利诺斯大学教授安东尼·莱格特，以奖励他们在超导和超 流理论方面的先驱性贡献。
第7页
吴茂昆
朱经武
钇钡铜氧化合物,1987年2月，92K
超导材料介绍
第1页
超导材料简介
超导概述 超导电性的基本特征 超导材料的种类 超导材料的应用
第2页
一、超 导 概 述
昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理学家 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 “超导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
氧 氮 氮 Hg
第4页
约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具 有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。
第5页
1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于 1987年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体 材料的出现，并宣告了超导技术开发应用时代即将到来。
弱连接超导体：S-IS
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。
第15页
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
第16页
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
第12页
超导体与理想导体的磁性质的区别
超导态是一个 热力学平衡现 象，抗磁性可 逆；理想导体 的这种磁性质 与加场过程有 关，不可逆。
第13页
3. 超导体的临界参数
临界温度Tc 临界磁场Hc 临界电流密度Jc
一些金属超导体临界 磁场与温度的关系
维持超导状态的必要条件
第14页
4. 超导隧道效应
第18页
第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
Mixed
S Hc1 B = 0, r = 0 Meissner
第二类超导体的相图
N
T Tc
第19页
混合态
T<Tc 0<H<Hc1
T<Tc Hc1<H<Hc2
Flux penetrates above the
lower critical field Hc1
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
第3页
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。