第三章 超导材料
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超导材料
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。
4.1.2 超导研究的历史回顾
1961年，孔兹勒（J.E.Kunler）等发现Nb3Sn在 8.8T强 电场中有 4.5×109A/m2的载流能力。 60年代，采用Nb3Sn制成了第一个实用的超导螺旋管。 此外，Nb-Zr、Nb-Ti、Nb3Si。V3Ga和V3Si等一系列超 导合金或化合物相继问世。 1967年，发现了SrTiO3和NaWO3在0.3K具有超导性。 1969年，超导纤维研制成功，使超导技术产生新的飞 跃，同时，超导材料在磁流体发电、受控热核反应、 宇航工业、高能物理等方面发挥了重要作用。另外， 由于材料的临界超导温度普遍很低，限制了它们的应 用推广，所以，开发高临界超导温度的材料成为人们 追求的主要目标之一。
4.1.2 超导研究的历史回顾
1987年2月16日，美国朱经武等人获得Tc为90K的超导陶瓷，但未 透露任何细节。1987年2月19日，赵忠贤、陈立泉等人研制出Y(钇) －Ba－Cu－O超导陶瓷，其Tc达到93K，并在世界上首次公布了陶 瓷的成分，国内外许多实验室很快证实了这一发现。人们向往已 久的“液氮（沸点为77.3K）温区的超导性”的实现，在世界上掀 起了一股高温超导研究的热潮，形成了全球性的激烈竞争，其规 模之大、速度之快、影响之深远，都是历史上空前的。此后很快 发现了一系列含稀土的氧化物超导体，通称为“123相”。 1988年，Cava等发现用K取代BaPb1-xBixO3中的Ba获得了KPblxBixO3超导材料，其Tc为30K。 1988年，前田(H.Maeda)等发现无稀土的Bi2Sr2Ca2Cu3O10超导陶瓷， 其中Tc可达110K。同年发现Tc更高的Tl(铊)－Ba－Ca－Cu－O系 超导陶瓷，Tc可达120K，其中Tl2Ba2Ca2Cu3O10超导陶瓷的Tc高达 125K。
第三章 超导材料
零电阻效应 迈斯纳效应
2）测量磁化率（x）随温度（T）的变化：x-T曲线；
加压可以提高超导体的临界温度： HgBaCaCuO的 Tc为135K，加压后变为163K。
2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下，外加磁场强度大于某一特定值Hc时，超导体的
超导态被破坏，转变为正常态，Hc被称为临界磁场强度。
B0 e
O
X
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。
由于超导体的完全抗磁性，在 X > 区域，磁力线不能穿过，因此电流不能由
对于第二类超导体，临界电流与材料的显微结构有着密切关系。
超导态的临界参数
临界温度、临界磁场和临界电流密度之间相互关联；只有当温度、磁场和
电流都小于临界值时，才能出现超导现象；
实用超导材料，要求这三个参数越高越好。
3-5 超导体的BCS理论
巴丁(Bardeen)
库珀(Cooper)
施瑞弗（Schrieffer）
超导体分为两类：第一类超导体和第二类超导体；
第一类超导体（软超导体）：只有一个临界磁场Hc，
除铌、钒、锝以外的元素超导体，主要用于固体物理和超导理论研究。 第二类超导体（硬超导体）：存在两个临界磁场，下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2，
铌、钒、锝及合金、化合物和高温超导体，具有实用价值。
① H < Hc1：
1957年，美国物理学家巴丁、库珀和施瑞弗提出了超导的微观理论：BCS理论； 三人获得1972年诺贝尔物理学奖。
超导材料及其应用
超导材料及其应用超导材料是指在低温下具有零电阻的材料。
它们是一种特殊的物质，可以在一定的温度和电流密度条件下将电流高效地传输而无能量损耗。
超导材料在电力输送、磁共振成像、高能物理实验等领域有广泛的应用，具有巨大的潜力。
超导材料最早被发现是在1911年，荷兰物理学家海克·卡梅林·杰平斯发现了汞在4.2K（约-269℃）温度下失去电阻的现象。
随后，人们陆续发现了其他物质也具有这种性质。
目前，已经发现的超导材料包括铜氧化物、铜化合物、铝化合物以及镧系和铀系化合物等。
超导材料的应用主要集中在两个方面：能源输送和磁共振成像。
在能源输送方面，超导材料可以用于电力线路的输送。
由于超导材料具有零电阻特性，电流在其内部可以无能量损耗地传输。
与传统的电线相比，超导线路具有更高的电流能力和输电距离。
这意味着可以减少能源损失，提高电能的利用率。
超导线路还可以减少输电过程中的电磁辐射和故障短路的可能性。
然而，目前超导材料的低温要求和成本限制了其商业化应用的普及。
在磁共振成像方面，超导材料可以用于制造超导磁体。
超导磁体的磁场强度远远超过传统的电磁磁体，因此可以提高成像的分辨率和准确性。
超导磁体广泛应用于核磁共振成像（MRI）、磁共振治疗（MRT）和粒子加速器等领域。
其中，MRI是医学影像学中常用的一种成像技术，可以用于诊断疾病和观察人体内部结构。
超导磁体的发展推动了MRI技术的进步和普及。
此外，超导材料还在高能物理实验、电力电子和量子计算等领域有潜在的应用。
在高能物理实验中，超导材料可以用于制造高能粒子加速器，如欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。
在电力电子方面，超导材料可以用于电力变压器和传输线路，提高系统的效率和稳定性。
在量子计算领域，超导材料的零电阻特性可以用于储存和传输量子位，实现更高性能的计算机。
总之，超导材料是一种具有零电阻特性的特殊物质。
它们在能源输送和磁共振成像等领域具有重要应用。
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
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。
超导材料的应用及原理
超导材料的应用及原理1. 超导材料的定义和特点•超导材料是一类在低温下能够表现出零电阻和完全磁通排斥的材料。
•超导材料具有较高的电导率，能够实现电流的无阻碍传输。
•超导材料在超导态下，能够实现能量的高效转换和传输。
2. 超导材料的分类2.1 Type-I 超导材料•Type-I 超导材料的超导转变温度较低，通常在几个开尔文度以下。
•Type-I 超导材料的磁场排斥效应相对较弱。
•Type-I 超导材料在外加磁场下会形成一些封闭的磁通线。
2.2 Type-II 超导材料•Type-II 超导材料的超导转变温度较高，通常在几个开尔文度以上。
•Type-II 超导材料的磁场排斥效应较强。
•Type-II 超导材料在外加磁场下会形成一系列小的磁通束。
3. 超导材料的应用领域•电力传输和储能：超导材料的零电阻特性使其在输送大电流和减少能源损耗方面具有巨大潜力。
•磁共振成像技术（MRI）：超导材料的优异磁性能在医学成像领域得到广泛应用。
•加速器和磁约束聚变器：超导材料能够提供强大的电磁场，用于粒子加速和实现聚变反应。
4. 超导原理的解析•超导材料的超导性质是由库珀对电子配对和波长较长的库珀对组成引起的。
•超导材料中的电阻为零是因为电子在库珀对中以框架运动的方式传导，而不受材料结构的影响。
•外界磁场能够破坏超导材料的库珀对结构，从而导致超导态的消失。
5. 超导材料的研究进展•传统超导材料：包括金属超导体、合金超导体和化合物超导体等。
•高温超导材料：在1986年被发现，转变温度较常规超导材料高很多。
•铁基超导材料：是一类由铁原子组成的化合物，具有较高的转变温度和丰富的物理性质。
6. 超导材料的应用前景•随着超导材料研究的不断深入，其在能源、交通、医学和科学研究等领域的应用前景非常广阔。
•新型超导材料的开发和制备技术的进步为超导应用的推广和发展提供了更多的可能性。
•超导材料的大规模应用有望实现能源的高效利用、磁共振成像技术的普及以及粒子加速和聚变技术的突破。
培训_第三章材料的电学性能
离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格
点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格 实散际射金。属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态
点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子
波造成散射而形成电阻。 而对于一个纯的理想的完整晶体，0K时，电子波
的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导
致所谓的超导现象。
为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使 半导体具有一些导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能 跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所 以绝缘体几乎没有导电能力。
三、影响金属导电性的因素
晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因，而电阻来
源于晶体对自由运动电子的散射，因此电阻具有 组织结构敏感性，温度、形变（应力）、合金
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同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子 是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它 认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的， 而是呈周期性变化的，能带理论就是研究金属 中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题
的电。子在周期势场中运动，随着位置的变化， 它的能量也呈周期变化，即接近正离子时势能 降低，离开时势能增高。这样价电子在金属中 的运动就不能看成是完全自由的。
原因：由于高压作用，导致原子间距发生变化（变小），使
金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化，从而影 响导电性。
能带结构和导电机理：由于周期场的影响，使得价电子在
金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，
有些能态是电子不能取值的。 由右图可以看到：
禁带宽窄取决于周期 势场的变化幅度，变 化越大，则禁带越宽。
当 线规-K律1<连K 续<K变1时化，；曲线按抛物 当增K=K1时，只要波数稍微
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
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。
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。
超导材料介绍ppt课件
超导材料介绍
精品课件 1
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
精品课件 2
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。
赵忠贤
陈立泉
锶镧铜氧(1987年初，48.精6K品)课、件钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，
铋系超导体
8
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
精品课件 9
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。
精品课件 24
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。
精品课件 12
超导体与理想导体的磁性质的区别
精品课件
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。
精品课件 1
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
精品课件 2
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。
赵忠贤
陈立泉
锶镧铜氧(1987年初，48.精6K品)课、件钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，
铋系超导体
8
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
精品课件 9
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。
精品课件 24
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。
精品课件 12
超导体与理想导体的磁性质的区别
精品课件
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。
《材料导论》-超导材料
马梯索发明的隧道冷子管中，约瑟夫 逊结具有极高的开关速度（约为10-12秒数 量级，速度是半导体器件的百倍以上）和 极低的功耗（只有半导体器件的千分之一 左右），对应逻辑器件能以惊人的速度执 行“与”功能，从而为制造亚纳秒电子计 算机提供了一条途径。
电力储藏
提到电力储藏，总会让人联想到电池， 能量的储藏以能量密度作为标准。10升石 油所产生的能量相当于2.5吨铅电池的能量， 必须使用像小山一样多的铅。
零电阻现象和完全抗磁性 是超导体两个最基本、互相 独立的特性。
在常温下，金属原子失去外层电子，自由电 子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自 由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动 中受到的阻碍称为电阻。
当超导临界温度以下时，自由电子将不再完 全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即 “库珀电子对”）。温度愈低，结成的电子对愈 多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互 的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的 电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。
为什么生物磁的研究远远落后于生物电的研究呢?
因为生物磁极其微弱（10－10～10－13 特斯拉），开始还没有检测如此低磁场强 度的检测手段。
用超导量子干涉现象所制成的磁强计， 可以探测到10－15特斯拉的磁场变化，极 大地促进了生物磁学的进程。
1970年首次应用超导量子干涉仪测出 人体完善的心磁图，打开了生物磁的窗口。
Kelvin Temperature Scale
100oC = 373 K
0oC = 273 K
“High” Temperature Superconductors
-145oC = 138 K
Air (Nitrogen) liquifies
77 K Helium liquifie4sK
电力储藏
提到电力储藏，总会让人联想到电池， 能量的储藏以能量密度作为标准。10升石 油所产生的能量相当于2.5吨铅电池的能量， 必须使用像小山一样多的铅。
零电阻现象和完全抗磁性 是超导体两个最基本、互相 独立的特性。
在常温下，金属原子失去外层电子，自由电 子无序地充满在正离子周围。在电压作用下，自 由电子的定向运动就成为电流。自由电子在运动 中受到的阻碍称为电阻。
当超导临界温度以下时，自由电子将不再完 全无序地“单独行动”，会形成“电子对”（即 “库珀电子对”）。温度愈低，结成的电子对愈 多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互 的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的 电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。
为什么生物磁的研究远远落后于生物电的研究呢?
因为生物磁极其微弱（10－10～10－13 特斯拉），开始还没有检测如此低磁场强 度的检测手段。
用超导量子干涉现象所制成的磁强计， 可以探测到10－15特斯拉的磁场变化，极 大地促进了生物磁学的进程。
1970年首次应用超导量子干涉仪测出 人体完善的心磁图，打开了生物磁的窗口。
Kelvin Temperature Scale
100oC = 373 K
0oC = 273 K
“High” Temperature Superconductors
-145oC = 138 K
Air (Nitrogen) liquifies
77 K Helium liquifie4sK
超导材料
超导材料：具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零（零电阻）以及排斥磁力线（抗磁性）性质的材料。
研究历史：荷兰物理学家昂内斯在1908年成功的液化了氮气，1911年发现汞在4.2K下电阻突然消失，即超导现象。
1913年获得诺贝尔奖。
1973年，发现超导合金――铌锗合金（Nb3Ge），其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。
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”。
1986年，美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物La-Ba-Cu-O）具有36K的高温超导性。
1987年，亨茨维尔亚拉巴马大学的吴茂昆及其研究生，与休斯顿大学的中华民国科学家朱经武和他的学生共同发现了钇钡铜氧(Y-Ba-Cu-O)，这是首个超导温度在77K以上的材料，突破了液氮的“温度壁垒”（77K）。
也因此引发了对新高温超导材料的研究热潮。
随后，中国科学家赵忠贤以及中华民国科学家朱经武相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上。
1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料(Tl-Ba-Ga-Cu-O)又把临界超导温度的记录提高到125K。
从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。
2001年，二硼化镁(MgB2)被发现其超导临界温度达到39K。
此化合物的发现，打破了非铜氧化物超导体的临界温度纪录。
特性：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。
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。
（磁悬浮列车）临界参量临界温度：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。
现在，日本发现超导陶瓷临界温度可达14℃。
超导材料(课堂PPT)
图2.1 迈纳斯效应示意图
11
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
14
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。
17
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。
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）。
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--JaciychenPPT课件
就成为超导相干长度
6
-
2.2 MgB2超导体机理的研究
7
-
2.3 最新研究其他合金元 场核磁，它们的区别顾名思义 主要在于其磁场强度不同，一 般将磁场强度为1T以上的称为 高场它是核描磁述，电0路.5T中至某1点.0电T的流称强为弱 中 场核和流磁动，方0.向5T的及物以理下量的。称它是为矢低场 核磁量，。其大小等于单位时间内通
过垂直电流方向单位面积的电 量，以正电荷流动的方向为这 矢量的正方向。单位是：安培 每平方米，记作A/m2.它在物理
中一般用J表示。
8
-
3.1本次试验的目的
研究 Al 和 C 共掺对 MgB2超导材料的超导转变温度、 临界电流密度、不可逆场等超导电性能以及晶体结构
都会产生怎样不同程度又的称影超响导临。界温度（Superconductor
critical temperature）如前所述，它是
超导体从正常态变为超导态时的温度， 合金材料在磁场作用下实，际随上着也磁就场是的把增Cooper电子对解体开 大，电流作用于磁通上来的的类温洛度伦。兹对力于不转变温度范围较宽的 断增大，不可逆场以下超，导由体于（晶如格高缺温陷超导体），临界温度 的钉扎作用，类洛伦兹可力分不为够起大始，转磁变通温度，中转变温度和 移动是不可逆的。在不零可电逆阻磁温场度以上，
Al 和 C 共掺对 MgB2 超导电性的影响
1
-
1 .1超导简介
1908 年，荷兰科学家昂尼斯（Onne s） 首次将氦气液化，并 得到了低于4K的温度。
1911 年，他在测量一个固态汞样品—汞线的电阻与温度的关系 时，意外发现汞冷却到4.4K（即 - 269℃） 时，电阻突然消失 了。随后，科学家们发现许多金属、合金及金属间化合物也具 有这种特性。
6
-
2.2 MgB2超导体机理的研究
7
-
2.3 最新研究其他合金元 场核磁，它们的区别顾名思义 主要在于其磁场强度不同，一 般将磁场强度为1T以上的称为 高场它是核描磁述，电0路.5T中至某1点.0电T的流称强为弱 中 场核和流磁动，方0.向5T的及物以理下量的。称它是为矢低场 核磁量，。其大小等于单位时间内通
过垂直电流方向单位面积的电 量，以正电荷流动的方向为这 矢量的正方向。单位是：安培 每平方米，记作A/m2.它在物理
中一般用J表示。
8
-
3.1本次试验的目的
研究 Al 和 C 共掺对 MgB2超导材料的超导转变温度、 临界电流密度、不可逆场等超导电性能以及晶体结构
都会产生怎样不同程度又的称影超响导临。界温度（Superconductor
critical temperature）如前所述，它是
超导体从正常态变为超导态时的温度， 合金材料在磁场作用下实，际随上着也磁就场是的把增Cooper电子对解体开 大，电流作用于磁通上来的的类温洛度伦。兹对力于不转变温度范围较宽的 断增大，不可逆场以下超，导由体于（晶如格高缺温陷超导体），临界温度 的钉扎作用，类洛伦兹可力分不为够起大始，转磁变通温度，中转变温度和 移动是不可逆的。在不零可电逆阻磁温场度以上，
Al 和 C 共掺对 MgB2 超导电性的影响
1
-
1 .1超导简介
1908 年，荷兰科学家昂尼斯（Onne s） 首次将氦气液化，并 得到了低于4K的温度。
1911 年，他在测量一个固态汞样品—汞线的电阻与温度的关系 时，意外发现汞冷却到4.4K（即 - 269℃） 时，电阻突然消失 了。随后，科学家们发现许多金属、合金及金属间化合物也具 有这种特性。
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第三章
超导材料
PPT学习交流
1
PPT学习交流
2
3-1 超导现象的发现
☺1895：空气被液化 -192℃ （81K） ☺1898：氢气被液化 -253℃ （20K） ☺1908：氦气被液化 -268.9 ℃ （4.25K ）
“绝对零度先生”
荷兰物理学家 Kammerlingh Onnes （ 1853-1926）
0
1
（1 - t 4）2
0：材料在绝对零度时的穿透深度；
t：温度T与临界温度Tc的比值，即
t T 。
Tc
2）穿透深度 还与材料的纯度及外加磁场有关：超导体的非局域理论。
PPT学习交流
13
2.2 迈斯纳效应的应用
磁悬浮
f
S
N
mg
省能源、低噪音、高时速；
1999年，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 高记录。
1986年： LaBaCuO（铜氧化物超导体）； Tc达35K；
液氮温度（77K） 液氢温度（20K）
超导体发展简史
1987年： YBaCuO； Tc为92K，进入液氮温区；
1993年： HgBaCaCuO； Tc为135K（高压下163K）；
PPT学习交流
6
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；
极低温下电阻的可能变化
PPT学习交流
3
Hg在4.2K时，电阻完全消失！
“Mercury has passed into a new state， which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconductive state.”
803
293
99
52
30
)奥斯特104=特斯拉1（
PPT学习交流
17
超导体的相图
正常态 超导态
临界温度Tc和临界磁场Hc是超导体的本征参数，只跟材料的电子结构有关。
PPT学习交流
18
超导体分为两类：第一类超导体和第二类超导体；
第一类超导体（软超导体）：只有一个临界磁场Hc， 除铌、钒、锝以外的元素超导体，主要用于固体物理和超导理论研究。
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；
。cm 6-10~ 5-10穿透深度约为
PPT学习交流
10
由于超导体的完全抗磁性，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 的范围内流动；
H
B=0 H
as
迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。
超导体的定义：具有在一定的低温下呈现出电阻等于零及排斥磁力线性质的材料。
PPT学习交流
9
2.1 穿透深度 在外磁场中的超导体，从体外到超导体内，磁感应强度不会突然降为零，而是 逐渐减小为零：
B B0
B xB 0ex -xp
氯仿和溴仿结合C60— 117K；
？ 3. 氧化聚丙烯：300K —700K；
4. 掺杂了钾和铷的菲：5K
新型超导体
MgB2 40K
铁基超导体
LaO1-xFxFeAs：26K； SmO1-xFxFeAs：43K； PrO1-xFxFeAs：52K
PPT学习交流
7
3-3 超导体的两个基本电磁特性
PPT学习交流
11
影响穿透深度的因素
1）穿透深度紧密的依赖于温度的变化： 温度远低于Tc： 几乎与温度无关，不同材料具有不用0值； 温度高于0.8Tc：穿透深度 迅速增加； 温度接近Tc：穿透深度 趋于无穷大。
Sn的穿透PP深T学度习随交流温度的变化
12
穿透深度 随温度T的变化，常用如下的经验公式：
穿透深度又定义为：超导体中电流流动的表面层厚度。
元素
In Sa Hg
Pb Tl Cd Al
0 （ cm 10-6 ）
6.4
5.1
3.8- 4.6
3.9
9.2
13.0
5.0
对于块材：穿透深度远小于样品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全 抗磁性的；
对于粉末或者薄膜：磁通量的穿透变得非常重要，样品内有明显的磁通密度 分布，需要单独进行研究。
水银电阻随温度的变化
PPT学习交流
4
几个概念： 超导电性：低温下失去电阻的性质； 超导体：具有超导电性的物质。
临界温度（Tc）：电阻消失时的温度，即从正常态转变为超导态时的温度； 超导态：超导体在超低温下电阻为零的状态； 正常态：当温度较高，电阻不为零的状态。
PPT学习交流
5
3-2 超导材料的发展历史
HgBaCaCuO的
PPT学习交流
Tc为135K，加压后变为163K。
15
2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下，外加磁场强度大于某一特定值Hc时，超导体的 超导态被破坏，转变为正常态，Hc被称为临界磁场强度。
临界磁场是温度的函数，记为Hc（T） ；
不同的超导体，它们的Hc（T）曲线 尽管有差异，但都非常相似：
T=0K：Hc最大； T=Tc：Hc=0; 0 < T < Tc：Hc（T）随温度升高而减小。
PPT学习交流
16
Hc（T）曲线都可以近似的表示为：
H（T）H（
C
C
0）1-TTC
2
Hc(0)：0K时的临界磁场，超导体任何温度下的临界磁场可以由Hc(0)和Tc确定。
元素
Pb
In
Al
Zn
Cd
Hc(0),(Oe)
PPT学习交流
14
3-4 超导的三个临界条件
1. 临界温度Tc
超导转变温度Tc，超导体最重要的参数之一，提高Tc是超导研究最主要的目标；
常用的超导体Tc的测量方法：
1）测量电阻（R）随温度（T）的变化：R-T曲线；
零电阻效应
2）测量磁化率（x）随温度（T）的变化：x-T曲线；
迈斯纳效应
加压可以提高超导体的临界温度：
1. 零电阻效应
电流在超导体中一旦形成，便能经久不衰的持续下去，而无需电场的作用。
电阻
Perfect conductor
ρ0
T 0 TMT s
温度
I 10 5 yrs dI dt
T s ：起始转变温度
T 0 ：零电阻温度
T M ：中点温度
PPT学习交流
8
2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ完全抗磁性（迈斯纳效应）
当超导体处于超导态时，若周围存在着磁场H，在超导体表面会感生出屏蔽电流， 从而产生一个恰好能抵消外磁场的附加磁场，使外磁场完全不能进入超导体内部， 这种完全抗磁性又称迈斯纳效应。
超导材料
PPT学习交流
1
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2
3-1 超导现象的发现
☺1895：空气被液化 -192℃ （81K） ☺1898：氢气被液化 -253℃ （20K） ☺1908：氦气被液化 -268.9 ℃ （4.25K ）
“绝对零度先生”
荷兰物理学家 Kammerlingh Onnes （ 1853-1926）
0
1
（1 - t 4）2
0：材料在绝对零度时的穿透深度；
t：温度T与临界温度Tc的比值，即
t T 。
Tc
2）穿透深度 还与材料的纯度及外加磁场有关：超导体的非局域理论。
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2.2 迈斯纳效应的应用
磁悬浮
f
S
N
mg
省能源、低噪音、高时速；
1999年，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 高记录。
1986年： LaBaCuO（铜氧化物超导体）； Tc达35K；
液氮温度（77K） 液氢温度（20K）
超导体发展简史
1987年： YBaCuO； Tc为92K，进入液氮温区；
1993年： HgBaCaCuO； Tc为135K（高压下163K）；
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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；
极低温下电阻的可能变化
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3
Hg在4.2K时，电阻完全消失！
“Mercury has passed into a new state， which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconductive state.”
803
293
99
52
30
)奥斯特104=特斯拉1（
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超导体的相图
正常态 超导态
临界温度Tc和临界磁场Hc是超导体的本征参数，只跟材料的电子结构有关。
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超导体分为两类：第一类超导体和第二类超导体；
第一类超导体（软超导体）：只有一个临界磁场Hc， 除铌、钒、锝以外的元素超导体，主要用于固体物理和超导理论研究。
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；
。cm 6-10~ 5-10穿透深度约为
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10
由于超导体的完全抗磁性，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 的范围内流动；
H
B=0 H
as
迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素。
超导体的定义：具有在一定的低温下呈现出电阻等于零及排斥磁力线性质的材料。
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2.1 穿透深度 在外磁场中的超导体，从体外到超导体内，磁感应强度不会突然降为零，而是 逐渐减小为零：
B B0
B xB 0ex -xp
氯仿和溴仿结合C60— 117K；
？ 3. 氧化聚丙烯：300K —700K；
4. 掺杂了钾和铷的菲：5K
新型超导体
MgB2 40K
铁基超导体
LaO1-xFxFeAs：26K； SmO1-xFxFeAs：43K； PrO1-xFxFeAs：52K
PPT学习交流
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3-3 超导体的两个基本电磁特性
PPT学习交流
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影响穿透深度的因素
1）穿透深度紧密的依赖于温度的变化： 温度远低于Tc： 几乎与温度无关，不同材料具有不用0值； 温度高于0.8Tc：穿透深度 迅速增加； 温度接近Tc：穿透深度 趋于无穷大。
Sn的穿透PP深T学度习随交流温度的变化
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穿透深度 随温度T的变化，常用如下的经验公式：
穿透深度又定义为：超导体中电流流动的表面层厚度。
元素
In Sa Hg
Pb Tl Cd Al
0 （ cm 10-6 ）
6.4
5.1
3.8- 4.6
3.9
9.2
13.0
5.0
对于块材：穿透深度远小于样品的尺寸，可以忽略磁通的穿透，看成是完全 抗磁性的；
对于粉末或者薄膜：磁通量的穿透变得非常重要，样品内有明显的磁通密度 分布，需要单独进行研究。
水银电阻随温度的变化
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几个概念： 超导电性：低温下失去电阻的性质； 超导体：具有超导电性的物质。
临界温度（Tc）：电阻消失时的温度，即从正常态转变为超导态时的温度； 超导态：超导体在超低温下电阻为零的状态； 正常态：当温度较高，电阻不为零的状态。
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3-2 超导材料的发展历史
HgBaCaCuO的
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Tc为135K，加压后变为163K。
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2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下，外加磁场强度大于某一特定值Hc时，超导体的 超导态被破坏，转变为正常态，Hc被称为临界磁场强度。
临界磁场是温度的函数，记为Hc（T） ；
不同的超导体，它们的Hc（T）曲线 尽管有差异，但都非常相似：
T=0K：Hc最大； T=Tc：Hc=0; 0 < T < Tc：Hc（T）随温度升高而减小。
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Hc（T）曲线都可以近似的表示为：
H（T）H（
C
C
0）1-TTC
2
Hc(0)：0K时的临界磁场，超导体任何温度下的临界磁场可以由Hc(0)和Tc确定。
元素
Pb
In
Al
Zn
Cd
Hc(0),(Oe)
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3-4 超导的三个临界条件
1. 临界温度Tc
超导转变温度Tc，超导体最重要的参数之一，提高Tc是超导研究最主要的目标；
常用的超导体Tc的测量方法：
1）测量电阻（R）随温度（T）的变化：R-T曲线；
零电阻效应
2）测量磁化率（x）随温度（T）的变化：x-T曲线；
迈斯纳效应
加压可以提高超导体的临界温度：
1. 零电阻效应
电流在超导体中一旦形成，便能经久不衰的持续下去，而无需电场的作用。
电阻
Perfect conductor
ρ0
T 0 TMT s
温度
I 10 5 yrs dI dt
T s ：起始转变温度
T 0 ：零电阻温度
T M ：中点温度
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2.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ完全抗磁性（迈斯纳效应）
当超导体处于超导态时，若周围存在着磁场H，在超导体表面会感生出屏蔽电流， 从而产生一个恰好能抵消外磁场的附加磁场，使外磁场完全不能进入超导体内部， 这种完全抗磁性又称迈斯纳效应。