超导材料
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超导储能装置
• 利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁 能返回电网或其它负载。
– 由于储能线圈由超 导线绕制且维持在 超导态，线圈中所 储存的能量几乎可 以无损耗地永久储 存下去直到需要释 放时为止。
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
8
迈斯纳效应
迈斯纳效应
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
9
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7.5.2 两类超导体
• 第一类超导体：在低于临界磁场Hc的磁场H中处 于超导态时，表现出完全抗磁性，即在超导体内 部B = 0 (HM) ＝ 0；在高于Hc的磁场中则处于 正常态，B/0 ＝ H，－M ＝ 0。
示。 自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金
属超导材料的临界温度范围为0.1K—9.13K，最高温度为9.13K的是铌元素。
1950年，科学家将注意力转向了合金和化合物。
1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡
合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导 体。
☆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。
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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磁力线 屏蔽电流
Hc1<外磁场<Hc2
外磁场<Hc1
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
12
12
三 超导理论简介
• BCS理论：巴丁（Bardeen）、库柏（Cooper）和施 瑞弗（Schrieffer）共同提出。 • 在BCS理论中，最重要的是库珀提出的电子对概念。
氢的“温度壁垒”被跨越。 1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上， 液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源 丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物 超导（TC>77K)叫做高温超导体。 1987年底铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。 1991年发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。 1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-氧系材料。
25
超导限流器
• 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。 • 集检测、触发和限流于一体，反应速度快，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。
开关
正常情况 低阻抗
高阻抗 故障电流发生状况
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
超导体的分类
20
五.超导材料的应用
一般来说实用超导材料应具备下列条件：尽可能高的临界条件，可以加工成带材，线材或 薄膜（可塑能力好），成本不太高。 ☆超导输电 电能的输送是超导体最重要的应用之一。目前，高温超导(HTS)电力电缆的应用研究发展 较快，极有可能首先广泛运用于电力系中。
21
和常规电缆相比，HTS电缆有大容量，低损耗，节约通道，不污染环境，无火灾危险，对 外无电磁干扰，不易受核爆等灾害影响的优点 。
☆超导储能 利用超导体，可制成高效储能设备由于超导体可以达到非常高的能量密度，可以无损耗贮 存巨大的电能，这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来，在用电高峰时释 放出来，解决用电不平衡的矛盾。 超导储能的损耗较小,转换效率可高达90%,能量储存与释放的响应速度快,可达到数十毫秒 左右 。
22
– – – – – – – 可以降低25-40%的制造成本； 可以降低运行成本，增加运行效率； 可以减少电机运行时的振动和噪音； 可以将其体积和重量减少4/5； 具有更大的单机容量，能够达到1000MVA； 具有更加稳定的性能； 安装容易，维护简单。
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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Ⅱ基本性质 ☆零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为 零。 原因：超导电子Cooper对的关联效应
☆完全抗磁性(迈斯纳效应 ）：Messner效 应（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 原因：BCS理论认为，正是由于超导电子 Cooper对的关联效应，使外磁场很难进入， 从而导致了迈斯纳效应
C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。
4
二 超导现象及其临界条件
• 超导电性——在超低温下失去电阻的性质
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
5
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• 临界温度（TC）——超导体必须冷却至某一临界温度 以下才能保持其超导性。
• 临界电流密度（JC）——通过超导体的电流密度必须 小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。
16
超导电子对的形成
• 电子在晶格中移动时会吸 引邻近格点上的正电荷， 导致格点的局部畸变，形 成一个局域的高正电荷区。 这个局域的高正电荷区会 吸引自旋相反的电子，和 原来的电子以一定的结合 能相结合配对。在很低的 温度下，这个结合能可能 高于晶格原子振动的能量， 这样，电子对将不会和晶 格发生能量交换，也就没 有电阻，形成所谓“超 导”。
14
• 当温度T<Tc时，超导体内存在大量的库珀对，库珀对 中的两个电子动量与自旋均等值相反，每一库珀对的 动量之和为零。 • 在外电场作用下，所有这些库珀对都获得相同的动量， 朝同一方向运动，不会受到晶格的任何阻碍，形成几 乎没有电阻的超导电流。 • 当T>Tc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导 态转变为正常态。
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超导输电
高温超导电缆
超导输电截面图
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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☆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
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
13
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超导理论简介
现代超导微观理论即BCS理论认为：
电子通晶格相互作用，在常温下形成导体的电阻，但在超低温下， 这种相互作用是产生电子对（Cooper电子对）的原因。温度越 低，所产生的这种电子对越多。超导电子对不能互相独立的运动， 只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到干扰时，就要 涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其他电子对。这个空间 范围内的所有电子对，在动量上彼此关联成为有序的集体。因此， 超导电子对在运动时，就不像正常电子那样，被晶体缺陷和晶格 振动散射而产生电阻，从而呈现电阻消失的现象。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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1973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.3K，该纪录保持了13年。 1986年，米勒和贝德诺尔茨发现了一种氧化物（镧-钡-铜-氧化物陶瓷超导材料） 具有35K的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。
1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液
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超导的微观机制
超导的微观机制
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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四.超导材料分类
CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等）
☆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
磁力线 屏蔽电流
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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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。 • 当外磁场达到Hc1时， 第二类超导体内出现正 常态和超导态相互混合 的状态，只有当磁场增 大到Hc2时，其体内的 混合状态消失而转化为 正常导体。
• 实用超导材料应具备下的条件：
– 尽可能高的临界条件，即高Tc、高Hc和高Jc – 可以加工成带材、线材或薄膜 – 成本不太高。
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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超导电机
• 采用超导绕组，与常规电机相比较，能够承载更大的电流 从而产生更强的磁场
☆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 19 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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1.
2. 3. 4.
5. 6.
励磁线圈，它是一个螺管形 的超导磁体。置于低温容器 内，用液氦做冷却剂 真空绝热容器 液体电刷 固定在轴上的工作在常温下 的两个电枢旋转圆盘 转轴 绝缘材料。
圆盘式超导直流电机
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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库珀对
• 库珀对是施里弗与巴丁，库珀提出的关于量子物理的理论。 在低温超导体中，电子并不是单个地进行运动，而是以弱 耦合形式形成配对，一般称之为库珀对．形成库珀对的两 个电子，一个自旋向上，另一个自旋向下。 • 金属中的两个电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引 作用。由于这种吸引作用，费密面附近的电子两两结合形 成所谓的“库珀对[1]”。“库珀对”的形成使电子气的能 量下降到低于正常费密分布时的能量，使得在连续的能带 态以下出现一个单独的能级。这个单独能级与连续能级之 间的间隔就叫做超导体的能隙。而今，库珀对理论被用于 超导和解释BCS理论中，起着巨大的作用。
3
近年来，人们对超导电性的研究又不断取得新的进展，如
发现了新型超导体C60，C60被誉为21世纪新材料的“明星”，
由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而 且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使 C60超导体更有望实用化。这种材料已展现了机械、光、电、 磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、
超导材料(Superconductor material)
一.超导现象的发现及进展
1911年，昂内斯在液氦温度下研究金属的电阻与温度的关系时，发现温度 T=4.2K附近水银样品的电阻从0.125欧姆突然降至零，他把这种现象称为零电阻
性或超导电性。出现超导电现象的那个温度称为临界温度或转变温度，用TC表
• 临界磁场（HC）——施加给超导体的磁场必须小于某 一临界磁场才能保持超导体的超导性。
ห้องสมุดไป่ตู้
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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只有当电流、温度与磁 场3个条件都满足规定 条件时，才能出现超导 现象。
超导状态下的T－H－J界面
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超导储能装置
• 利用超导线圈将电磁能直接储存起来，需要时再将电磁 能返回电网或其它负载。
– 由于储能线圈由超 导线绕制且维持在 超导态，线圈中所 储存的能量几乎可 以无损耗地永久储 存下去直到需要释 放时为止。
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迈斯纳效应
迈斯纳效应
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7.5.2 两类超导体
• 第一类超导体：在低于临界磁场Hc的磁场H中处 于超导态时，表现出完全抗磁性，即在超导体内 部B = 0 (HM) ＝ 0；在高于Hc的磁场中则处于 正常态，B/0 ＝ H，－M ＝ 0。
示。 自1911年以后，又发现了23种纯金属也具有超导性。包括水银在内，24种纯金
属超导材料的临界温度范围为0.1K—9.13K，最高温度为9.13K的是铌元素。
1950年，科学家将注意力转向了合金和化合物。
1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒，不久又发现了临界温度为18K的铌锡
合金，这在当时是最高的临界温度，以后又陆续发现了若干铌系列合金超导 体。
☆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。
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磁力线 屏蔽电流
Hc1<外磁场<Hc2
外磁场<Hc1
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三 超导理论简介
• BCS理论：巴丁（Bardeen）、库柏（Cooper）和施 瑞弗（Schrieffer）共同提出。 • 在BCS理论中，最重要的是库珀提出的电子对概念。
氢的“温度壁垒”被跨越。 1987年，中国科学家赵忠贤在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上， 液氮的禁区（77K）也被突破了，这使超导转变温度高于液氮的气化温度，使资源 丰富、价格低廉的液氮作为超导体工作的冷却剂成为可能。人们将这类铜基氧化物 超导（TC>77K)叫做高温超导体。 1987年底铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的纪录提高到125K。 1991年发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。 1993年，人们发现了超导临界转变温度为133K的汞-钡-钙-氧系材料。
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超导限流器
• 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。 • 集检测、触发和限流于一体，反应速度快，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。
开关
正常情况 低阻抗
高阻抗 故障电流发生状况
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
超导体的分类
20
五.超导材料的应用
一般来说实用超导材料应具备下列条件：尽可能高的临界条件，可以加工成带材，线材或 薄膜（可塑能力好），成本不太高。 ☆超导输电 电能的输送是超导体最重要的应用之一。目前，高温超导(HTS)电力电缆的应用研究发展 较快，极有可能首先广泛运用于电力系中。
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和常规电缆相比，HTS电缆有大容量，低损耗，节约通道，不污染环境，无火灾危险，对 外无电磁干扰，不易受核爆等灾害影响的优点 。
☆超导储能 利用超导体，可制成高效储能设备由于超导体可以达到非常高的能量密度，可以无损耗贮 存巨大的电能，这种装置把输电网络中用电低峰时多余的电力储存起来，在用电高峰时释 放出来，解决用电不平衡的矛盾。 超导储能的损耗较小,转换效率可高达90%,能量储存与释放的响应速度快,可达到数十毫秒 左右 。
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– – – – – – – 可以降低25-40%的制造成本； 可以降低运行成本，增加运行效率； 可以减少电机运行时的振动和噪音； 可以将其体积和重量减少4/5； 具有更大的单机容量，能够达到1000MVA； 具有更加稳定的性能； 安装容易，维护简单。
Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials
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Ⅱ基本性质 ☆零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为 零。 原因：超导电子Cooper对的关联效应
☆完全抗磁性(迈斯纳效应 ）：Messner效 应（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 原因：BCS理论认为，正是由于超导电子 Cooper对的关联效应，使外磁场很难进入， 从而导致了迈斯纳效应
C540合成如能实现，还可能成为室温超导体。
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二 超导现象及其临界条件
• 超导电性——在超低温下失去电阻的性质
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• 临界温度（TC）——超导体必须冷却至某一临界温度 以下才能保持其超导性。
• 临界电流密度（JC）——通过超导体的电流密度必须 小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。
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超导电子对的形成
• 电子在晶格中移动时会吸 引邻近格点上的正电荷， 导致格点的局部畸变，形 成一个局域的高正电荷区。 这个局域的高正电荷区会 吸引自旋相反的电子，和 原来的电子以一定的结合 能相结合配对。在很低的 温度下，这个结合能可能 高于晶格原子振动的能量， 这样，电子对将不会和晶 格发生能量交换，也就没 有电阻，形成所谓“超 导”。
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• 当温度T<Tc时，超导体内存在大量的库珀对，库珀对 中的两个电子动量与自旋均等值相反，每一库珀对的 动量之和为零。 • 在外电场作用下，所有这些库珀对都获得相同的动量， 朝同一方向运动，不会受到晶格的任何阻碍，形成几 乎没有电阻的超导电流。 • 当T>Tc时，热运动使库珀对被拆散为正常电子，超导 态转变为正常态。
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超导输电
高温超导电缆
超导输电截面图
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☆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
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超导理论简介
现代超导微观理论即BCS理论认为：
电子通晶格相互作用，在常温下形成导体的电阻，但在超低温下， 这种相互作用是产生电子对（Cooper电子对）的原因。温度越 低，所产生的这种电子对越多。超导电子对不能互相独立的运动， 只能以关联的形式作集体运动。当某一电子对受到干扰时，就要 涉及到这个电子对所在空间范围内的所有其他电子对。这个空间 范围内的所有电子对，在动量上彼此关联成为有序的集体。因此， 超导电子对在运动时，就不像正常电子那样，被晶体缺陷和晶格 振动散射而产生电阻，从而呈现电阻消失的现象。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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1973年，科学家发现了铌锗合金，其临界温度为23.3K，该纪录保持了13年。 1986年，米勒和贝德诺尔茨发现了一种氧化物（镧-钡-铜-氧化物陶瓷超导材料） 具有35K的高温超导性，突破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念。
1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到40K，液
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超导的微观机制
超导的微观机制
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四.超导材料分类
CeCu2Si2）有机超导材料（如富勒烯等）
☆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
磁力线 屏蔽电流
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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。 • 当外磁场达到Hc1时， 第二类超导体内出现正 常态和超导态相互混合 的状态，只有当磁场增 大到Hc2时，其体内的 混合状态消失而转化为 正常导体。
• 实用超导材料应具备下的条件：
– 尽可能高的临界条件，即高Tc、高Hc和高Jc – 可以加工成带材、线材或薄膜 – 成本不太高。
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超导电机
• 采用超导绕组，与常规电机相比较，能够承载更大的电流 从而产生更强的磁场
☆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 19 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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励磁线圈，它是一个螺管形 的超导磁体。置于低温容器 内，用液氦做冷却剂 真空绝热容器 液体电刷 固定在轴上的工作在常温下 的两个电枢旋转圆盘 转轴 绝缘材料。
圆盘式超导直流电机
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库珀对
• 库珀对是施里弗与巴丁，库珀提出的关于量子物理的理论。 在低温超导体中，电子并不是单个地进行运动，而是以弱 耦合形式形成配对，一般称之为库珀对．形成库珀对的两 个电子，一个自旋向上，另一个自旋向下。 • 金属中的两个电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引 作用。由于这种吸引作用，费密面附近的电子两两结合形 成所谓的“库珀对[1]”。“库珀对”的形成使电子气的能 量下降到低于正常费密分布时的能量，使得在连续的能带 态以下出现一个单独的能级。这个单独能级与连续能级之 间的间隔就叫做超导体的能隙。而今，库珀对理论被用于 超导和解释BCS理论中，起着巨大的作用。
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近年来，人们对超导电性的研究又不断取得新的进展，如
发现了新型超导体C60，C60被誉为21世纪新材料的“明星”，
由于它弹性较大，比质地脆硬的氧化物陶瓷易于加工成型，而 且它的临界电流、临界磁场和相干长度均较大，这些特点使 C60超导体更有望实用化。这种材料已展现了机械、光、电、 磁、化学等多方面的新奇特性和应用前景。有人预言巨型C240、
超导材料(Superconductor material)
一.超导现象的发现及进展
1911年，昂内斯在液氦温度下研究金属的电阻与温度的关系时，发现温度 T=4.2K附近水银样品的电阻从0.125欧姆突然降至零，他把这种现象称为零电阻
性或超导电性。出现超导电现象的那个温度称为临界温度或转变温度，用TC表
• 临界磁场（HC）——施加给超导体的磁场必须小于某 一临界磁场才能保持超导体的超导性。
ห้องสมุดไป่ตู้
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只有当电流、温度与磁 场3个条件都满足规定 条件时，才能出现超导 现象。
超导状态下的T－H－J界面
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