超导现象及应用简介

• 电力应用 高温超导体的发现使得超导技术的应用进一 步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过 去无法实现的电力装备能够由于超导技术的 应用而得到解决。超导技术在电力中的应用 主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储 能装置和超导电机等。
The end！Thanks
三个临界参数 • 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。 • 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。
• 三者之间的关系曲线
• 超导现象及应用 • —简介
主要内容
• • • • • 超导现象的发现 超导体的两个性质和临界参数 第I,II类超导体 超导体的理论 超导体的应用
1:超导现象的发现
1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在 研究水银电阻与温度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝成固态的水银电阻突 然下降并趋于零，对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪，即使当时 最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。 为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使 其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电 流会立即消失。但当水银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电 流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的观 察他们得出结论，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存在，并且没有强度变 弱的任何迹象。 接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中 的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导 体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的 实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼 斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。
核磁共振谱仪是基于核磁共振原理而研制出来 的，它目前已广泛用于物理、化学、生物、 遗传和医药学等领域的研究中，具有高分辨 率、高频率、高磁场等优点。
• 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。核聚变装置是 人们长期以来梦想解决能源问题的一个重要方向， 其途径是将氘和氚加热后，使原子和弥散的电子成 为一种等离子状态，并且在将这种高温等离子体约 束在适当空间内的条件下，原子核就能够越过电子 的排斥而互相碰撞产生核聚变反应。在这些应用中， 超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关 键部件。
5:超导体的应用
• 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术 在电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的 发展，至今已有许多新型的超导电子器件研制成 功，这些超导电子器件包括：超导量子干涉器 （SQUID）、超导混频器、超导数字电路、超导粒 子探测器等。
• 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
• 交通应用
超导技术在交通方面的应用是随着国民经济的发展， 社会对交通运输的要求而产生的。超导磁悬浮列车 利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触而悬浮于轨 道之上，并利用直线电机驱动列车运动的一种新型 交通工具。由于超导磁悬浮列车的时速高达500公里 /小时，并具有安全、噪音低和占地小等优点，因此 被认为是未来理想的交通运输工具。
• BCS超导理论
※BCS理论的基本点是 电－声相互作用 Cooper－pairs
※右面图示 a是无序态的分子气体 b是发生玻色凝聚的 cooper对气体
※BCS理论理论物理图像很清晰，它第一次较为完 善的解释了常规的金属超导体（第一类超导体） 的热力学性质及电磁性质。 ※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且作用势的大小不变。（能层范围为 ω D ω D ， 为德拜频率。）实际上在晶体中与电子相关的相互 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
∇ × B(r e2 2 ) e Js = = (ψ ∗ ∇ψ −ψ∇ψ ∗) − ψ A m 2im µ0 B(r ) n× − He = 0 µ0
※G－L第二方程及边界条件
第一方程是 ψ (r ) 的运动方程，第二方程表述 了超导电流的构成与分布。
• 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。与第一类超导体的区别是: ■ 第II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II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类 超导体没有； ■ 第II类超导体比第I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。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论 JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
R R ⋅ A(r ′) − R / ξ p 3σ e j (r , t ) = d 3r ′ ∫ R4 4πl
(
)
其中，
ns e 2 1 a= = 2 m λ µ0
并且假设
1
ξp
3：第I,II类超导体
• 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，由于其临界电 流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。
4：超导体的理论
• 伦敦方程
※伦敦第一方程
∂js ns e 2 E = m ∂t
伦敦第一方程说明超导电流的时间变化率由电 场决定。它表明了静场时超导体内电场为零， 概括了零电阻效应。
※伦敦第二方程
m ∇× n e 2 js = −B s
这一方程说明超导电流与磁场的关系。它说明： 1.超导电流是有旋的，可以在一环形回路中形成 持续的超导电流。2.由这个方程可以证明，Js和 B都只存在于超导体表面层内，即有迈斯纳效应 称为穿透深度。
第二类超导体又可以分为：
◆理想第II类超导体 晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并 且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电 流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有 高临界电流密度。 ◆非理想第II类超导体 晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心， 其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电 流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临 界电流密度。真正适合实际应用的超导材料是非 理想的第二类超导体。
。
2 ( ) ( ) r n r ψ = 来描写， s
为相位，对于正常
ψ (r ) 第二假设： 是标志系统有序化程度的序参量，其值由自由能密度f 2 在平衡态取极小值决定。超导态与正常态自由能之差可以展开为 ψ (r ) 的幂级数。
※G－L第一方程及边界条件
{
{
2 1 2 (−i∇ − eA) ψ + αψ + β ψ ψ = 0 2m n ⋅ (−i∇ − eA)ψ = 0
2:超导体的性质和临界参数
• 零电阻
将超导体冷却到某一临界温度以 下时电阻突然降为零的现象称 为超导体的零电阻现象 叫超导 体零电阻
• 完全抗磁性
当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场 没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排 斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性 质被称为“迈斯纳效应“
=
1
ξ0
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+
1 l
ξ 0 为纯净超导体的相干长度（本征相干
长度），l为电子的平均自由程
• 金兹堡－朗道方程
※1950年，金兹堡和朗道在二级相变的理论基础上 综合超导体的电动力学，量子力学，热力学性质， 建立了G－L方程。
※G－L方程的两个假设
相， ϕ( r) = 0
ψ ( r ) 第一假设：超导电子的行为由有效波函数 iϕ ( r ϕ (r ) ψ ( r ) = ns ( r ) e ) 即超导电子密度： 。其中