第十章超导介绍
超导电基本现象和基本规律
这种在低温下发生的零电阻现象, 被称为物质的超 导电性, 具有超导电性的材料称为超导体。电阻突 然消失的温度叫做超导体的临界温度, 用 Tc 表示
Tc 是物质参数, 同一种材料在相同条件下有确定 的值。例如: Hg 的 Tc=4.15K, Pb 的 Tc=7.201K, 等
由此得到与外场成比例的磁化强度
同时体内的磁场强度
3 M H0
2
M3 HH0 H0
32
球外的磁场就等于外磁场再加上等于整个球体的磁 矩的偶极子的磁场。很多精确的检验迈斯纳效应的 实验是靠测量物体的磁矩
超导电基本现象和基本规律
Meissner 效应
超导电基本现象和基本规律
§10-2 超导转变和热力学
超导电基本现象和基本规律
以上实验所确定的迈斯纳效应, 往往概括成: 超导体具有完全的抗磁性
即在超导体内保持 B 0
超导电基本现象和基本规律
完全的抗磁性并不是说磁化强度和磁 场强度等于零, 根据 B=μ0(H+M), 有
MH
除去一些特殊情况, 例如样品为圆柱体, 而 外磁场 H0 平行于轴线; 或样品为无限大平 面, H0 平行于表面, 外磁场 H0=H, 其它形 状的样品都因有退磁场的作用使 H≠H0
当温度在 Tc 以上时, 超导体和正常金属一样, 具有有 限的电阻值, 这时超导体处于正常态; 当温度在 Tc 以 下时, 超导体进入零超电导电阻基本状现象态和基—本规—律 超导态
低温技术的进展, 使人们能够获得比氦沸点(4.2K)更 低得多的温度。实验发现超导电性是相当普遍存在 的。人们发现在常压下有超导转变的元素共计 28 种
超导电基本现象和基本规律
以球形样品为例, 在均匀外场中将沿磁场方向均匀磁 化。如果磁化强度为 M, 则各处磁场强度可以根据 M 所引起的表面“磁荷”分布计算, 这样磁荷应在球内产 生均匀磁场强度（退磁场）
超导的原理及其应用
超导的原理及其应用一、超导的原理超导是指一种物质在低温下电阻消失的现象。
它是基于超导体的特殊电子输运性质产生的。
超导的原理主要包括以下几个方面：1.零电阻效应：超导体在超导态下，电阻将降为零。
这是由于超导态下电子与晶格相互作用的效果引起的，使电子对无散射的反相干输运。
2.迈斯纳效应：对于超导电流来说，磁场趋向于从超导体内部逼出。
这种磁场驱逐的行为称为迈斯纳效应。
3.BCS理论：超导体的高温超导性可以通过BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）理论来解释。
该理论提出超导电子通过库珀对的形式运动，库珀对是两个反向自旋的电子之间由于晶格振动而产生的吸引力导致的。
4.局域电子的协作效应：超导态能够通过电子之间的协作来形成，这种协作可以通过库珀对或电子间费米子交换引起。
二、超导的应用1. 电能传输方面•超导电缆：超导电缆可以实现超低电阻的电能传输，因为它不会产生热损耗。
这也意味着在长距离输电时，超导电缆的损耗将远远低于传统的电缆，提高了输电效率。
•超导发电机：超导材料的低温性质使得超导发电机的效率非常高。
超导发电机能够高效地转换机械能为电能，同时减少了能量损耗。
2. 磁共振成像方面超导磁体在磁共振成像（MRI）中起到关键作用。
MRI是一种无创的医学成像技术，通过利用磁共振现象来生成人体内部的影像。
超导磁体能够提供强大且均匀的磁场，使得MRI成像具有更高的分辨率和更好的对比度。
3. 磁悬浮交通方面超导磁悬浮技术被广泛应用于高速列车交通系统中。
通过利用超导体在磁场中的特殊性质，可以实现高速列车的浮于轨道之上，并减少与轨道之间的摩擦阻力。
这样可以大幅提高交通运输效率，减少能耗并降低噪音。
4. 超导量子计算方面超导量子计算是一种基于量子力学的计算技术。
利用超导材料的特殊性质，超导量子计算机可以在更短的时间内进行更复杂的计算。
这将有助于提高计算效率，为诸如密码学、优化问题和大规模数据处理等领域带来重大的突破。
超导介绍及应用PPT课件
(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
超导和超导电磁感应
汇报人：XX
零电阻：超导体的电阻为零，电流在其内部流动不会产生任何损耗。
完全抗磁性：超导体在一定温度下会表现出完全抗磁性，即磁场无法穿透超导体。
迈斯纳效应：超导体在冷却到临界温度以下时，会排斥所有内部的磁场，使其表面形成无磁场 区域。
超导态-正常态转变：超导体在冷却过程中会经历一个转变温度，称为临界温度，当温度低于临 界温度时，超导体进入超导态。
XX,a click to unlimited possibilities
汇报人：XX
CONTENTS
PART ONE
超导体的定义：在一定温度下，电阻为零的导体。超导体的特性：完全抗磁性、零电阻 Nhomakorabea完全导电性。
超导体的应用：超导磁悬浮列车、超导电缆、超导储能等。
超导体的发现：1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯发现汞在极低温度下进入超导 态。
电力传输：超导材料可以用于制造超导电 缆和变压器，实现高效、低损耗的电力传 输和分配。
医学成像：超导磁感应技术可用于MRI等 医学成像设备，帮助医生进行精确的诊断。
磁力发电机：利用超导电磁感应原理， 可以制造出高效、环保的磁力发电机， 为可再生能源的利用提供新的解决方案。
新型超导材料的研究与应用 超导技术在能源领域的应用前景 超导磁悬浮技术的发展与展望 超导技术在医疗领域的应用探索
现象描述：超导材料在磁场中表现出零电阻和完全抗磁性的特性 产生原因：与材料内部的电子配对和量子力学效应有关 应用领域：超导线圈、磁悬浮列车、磁共振成像等 发展前景：随着超导技术的不断进步，超导电磁感应现象在能源、医疗等领域的应用前景广阔
磁悬浮列车：利用超导电磁感应原理实现 列车悬浮，减少摩擦力，提高运行速度。
超导10
（10.7）
jS jS0 sin0 const
因为 sin0 1 ，故 | jS | jS0
直流Josephson效应可表述为： 超导隧道电流( jS jS0)流过Josephson结,不产生电压降
几个月后，P.W.Anderson和J.M.Rowell测量了Josephson结的 I-V 特性曲线，证实了此预言
3
d
2a
1
c
0o p b
01 2 3
eV
直流成分，交流成分未予显示。实际上，在 pb 部分，直流电流
为零,交流电流不为零
3．为什么只加上直流偏压，Josephson 结中会产生交变电流？
当结两边存在直流偏压时( V 0)，Josephson方程
2e V
t
的解为
0
2e Vt
将（10.3）式代入（10.2）式，得
i
t
1
e*V 2
1
K 2
i
t
2
e*V 2
2
K
1
（10.4）
1 2
n e 1/ 2 i1 S1
n e 1/ 2 i2 S2
（10.1）
i i
t
t
1 2
e*V 2
t
jS 0
Jn
n
2e
sin
0
(n
)t
2eV
（10.11）
2）对于一些特殊的电压
超导简介
1908年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯 ( Hei4.2 K 左右。
之前，人们已经知道，随着温度的降低，金 属的电阻也会越来越小。那么，随着温度降到热 力学温度零度附近时金属的电阻会怎样变化呢？
选择了当时最容易提纯的水银作为实验材料，在 液氦的温度下进行了认真的研究。实验的结果使
Байду номын сангаас1911年，卡末林 ·昂内斯和他的学生一起，
Hc
当通到线圈的电流产生的磁场超过一定强度 时，超导体 会突然 就变成 正常导体 ，出现了电 阻。这种大到一定强度就破坏超导态的磁场值，
叫做 临界磁场，
用
Hc 表示。
实验表明对一定的超导体临界磁场是温度的
函数。
到最大值。高于临 界值是一般导体， 低于此数值时成为 超导体。
T = Tc 时，Hc = 0 T → 0 时， Hc 达
以及磁悬浮列车等。
四 传统超导体的微观机制
1. 二流体模型 荷兰物理学家戈特和卡西米尔两个人在热力 学理论的基础上提出了一个模型。在超导体中存 在有两种电子，它们彼此独立地流动。一种是正 常的电子，另一种是超导电子。这两种电子就象 两种流体一样在超导体中流动。在正常态时，只 有正常电子，所以它的行为就和正常导体一样， 存在电阻。当 降到 c 以下时，进入超导态， 这时超导体就出现了超导电子，它们可以不受任 何阻碍地在超导体中流动， 越多。当
超导简介
1. 超导是怎样发现的？
2. 超导体有哪几个临界参量？
3. 什么是迈斯纳效应？
4. 传统超导体必须同时具有什么特性？
5.
BCS理论是什么？
6. 何为第一类超导体？ 何为第二类超导体？ 7. 什么是高温超导？ 8. 什么是约瑟夫森效应？ 9. 超导有何应用？
有关超导的介绍
磁悬浮列车和常规列车比较有许多的优点，随 着对磁浮列车的更多研究，人们发现它还具有 其 他诸多优点，如速度可以达到很高、污染小、 爬坡能力强等等。特别是采用了超导型磁悬浮 列 车，它更有体积小、磁场强、能量消耗小、 速度更高等优点，是最为理想的类型，我们知 道磁 悬浮列车有两种基本悬浮方式：电磁悬浮 方式（EML）和电动悬浮方式（EDL）。 方式（EML）和电动悬浮方式（EDL）。
高温超导
从超导现象发现之后，人们一直寻求在 较高温度下具有超导电性的材料，中国 科学家朱经武、吴茂昆、赵忠贤、陈立 泉为高温超导的发展作出了杰出的贡献 目前中国在高温超导材料研制方面处于 世界领先地位，新研制的超导体的临界 温度已达到132K 146K 温度已达到132K到146K，
超导的应用
从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分 成三类： 一是用超导材料作成磁性极强的超导 磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、 高速加速 器、超导发电机和超导列车，以解决 人类的能源和交通问题；二是用超导材料薄片 制作约瑟夫 逊器件，用于制造高速电子计算机 和灵敏度极高的电磁探测设备；三是用超导体 产生的磁场来 研究生物体内的结构及用于对人 的各种复杂疾病的治疗。以下就从这三个方面 来介绍超导技术 在各个领域的应用前景。
我们知道，聚能武器是把能量汇聚成极 细的能束 ，沿着指定的方向，以光速向 外发射能束，来摧毁目标。这里要解决 技术上的一个难题：如何 在瞬间提供大 量的能量。也就是说需要一个电感储能 装置，但普通线圈由于存在大量的能耗， 因此不能长时间储存大量的能量。超导 材料的零电阻的特性和高载流能力，使 超导储能线圈能 长时间、大容量地储存 能量, 能量,如右图所示。这种储存的能量可以 用于军事上，并且还可以多种 形式
超导的应用及原理
超导的应用及原理一、超导的基本原理超导是指某些物质在低温下电阻突然消失的现象。
其基本原理是电子在低温下以配对的方式运动，避免了电子碰撞产生的能量损耗。
超导的基本原理可以归结为以下几点： - 零电阻：在超导状态下，电子不受外界电场和磁场的干扰，电流可以无阻力地通过。
- 完全反射：超导体对外界磁场表现出完全反射的性质，磁场线无法穿透进入超导体内部。
- 迈斯纳效应：在超导体中，磁场线被限制在量子磁通的整数倍上，这被称为迈斯纳效应。
二、超导的应用领域超导技术在许多领域具有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 磁共振成像（MRI）MRI是一种采用超导磁体产生强大磁场的医学成像技术。
超导磁体可以产生非常高强度的磁场，使得医生可以获得更准确、更清晰的人体内部图像，帮助诊断疾病。
2. 磁悬浮交通超导材料可以用于制造磁浮列车及磁悬浮轨道，磁浮列车可以以高速无摩擦地行驶，大大提高交通效率。
3. 磁能存储超导磁体可以存储大量的电能，并在需要的时候释放出来。
这种磁能存储技术可以在电力系统的调节和应急备电方面发挥重要作用。
4. 电力传输超导电缆具有低电阻和高传输电流的特性，可以在输电过程中减少能量损耗。
这将有助于提高电力传输效率和减少能源消耗。
5. 粒子加速器超导磁体在粒子加速器中起到关键作用，通过产生强大的磁场来加速粒子。
超导技术使得粒子加速器能够达到更高的能量和更大的粒子流强度。
三、超导的发展现状和前景超导技术自从发现以来，已经取得了巨大的进展。
不断改善的制冷技术和超导材料的不断发展，使得超导技术的应用范围越来越广。
然而，超导技术仍然面临一些挑战。
超导材料的制备成本高，需要低温环境维持超导状态，限制了其商业化应用。
此外，一些关键高温超导材料的制备和性质研究仍在进行中。
未来，超导技术有望在更广泛的领域得到应用。
随着高温超导材料的发展和制备成本的降低，超导技术的商业价值将进一步提升。
超导技术的应用领域也将继续扩展，为人类的生活和科技进步带来更多的惊喜和便利。
超导中包含的物理知识
超导中包含的物理知识超导是指当物质温度低到一定程度，电流和磁场可以游走无阻，边界会衍生出一种称之为超导体的新物理现象，称为超导，也是物理学中的一大改善。
超导也是一个重要的物质结构，是物理系统特异性的状态，是重复结构的另一种方式的结果。
下文将介绍超导中包含的物理知识。
一、超导的原理1、预设：超导是一种与传统物质不同的状态，具有一些特别的电学和磁学性质。
2、超电流：超导带电离子被磁场包围，当物质进入超导体时，由于外力及温度的影响，带电离子会产生强大的磁性，此时会产生超电流。
3、反常超电导：当带电离子在超导体中运动时，其磁场会与外力产生相互作用，从而抵消该磁场，而形成反常的超电导现象。
4、伏安定律：当温度较低，电流为变量时，超导体的电阻会迅速减少，伏安曲线也会趋于平**。
二、超导的应用1、高磁场技术：由于超导体的超电导特性及其反常导电性，可以制成超磁场，从而可以将磁环应用于熔断器、挫斗、冲击装置等。
2、电机：超导体能够有效地把电流产生无损传输，由此可以构建效率更高的电机。
3、超导电网：当电流经过超导体时，电势会得到有效表现，这也为大容量超导电网搭建提供了空间。
4、磁体：使用超导体可以制作出无损、低成本且更稳定的磁性体。
三、超导的领域1、冷冻技术：超导的最低温度可以达到非常低的温度，使用超导技术可以进行精确的冷冻技术。
2、物理学：超导体是物理学研究中重要的概念和实验，其制备低温电子态学也与物理学有关。
3、医学：由于超导体能够产生一种特殊的动态场，可以应用于医学影像技术，使用超导体制冷可以应用于临床。
4、计算机：超导体能够更快地传输信号，使计算机的信息处理更加高效，也可以进行大规模的超级计算机应用。
总结：超导物理的研究以其是一种新的物质性质为特点，其质量由电流和磁场构成，由于超导体及其具有反常超电导和伏安定律等性质，可应用于各领域，如冷冻技术、物理学、医学、计算机等，从而使高磁场技术更加高效，电力系统更加稳定，计算机更加高效等等。
超导简介
Meissner效应与超导电性是相 互独立的效应
T Tc
T Tc
正常相
超导相
超导体不能简单地看作通常导体电导率的极限情况．因为通常导体有欧姆定律
B E 0, B const 0 J E, E 0 t 而 J 有限（有磁效应）；由麦克斯韦方程 — 导致 B 为一与时间无关的量
产生强磁场－ 磁谱仪，2003 年再次送入地
高功率 发电机
球轨道，观察暗物质和反物质。
超导体导线
超导电磁动力船
核磁共振斷層掃瞄儀
超导量子干涉仪
超导电子学是超导体物理与电子技术相
结合的一门科学，以超导体的约瑟夫逊效 应等为基础，主要研究物体处于超导状态 下超导电子所具有一系列效应的理论、技 术和应用。
超导电性
超导电性：电阻率为零 电导率为无穷大
10 ，
15
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
m
R
超导态的基本条件：
当温度下降之某临界温度之下，物质的电阻 率突然下降至零，对汞，
O
Tc
T K
失超
Tc 4.2K
(-268.9度)
Hc
Hc 0
临界温度与外加磁场相关，或曰临界磁场与 温度相关
超导计算机
超导计算机是利用超导技术生产的计算机及 其部件，其性能是目前电子计算机无法相比 的。
目前制成的超导开关器件的开关速度， 已达到几微微秒（0.000000000001秒） 的高水平。这是当今所有电子、半导体、 光电器件都无法比拟的，比集成电路要 快几百倍。超导计算机运算速度比现在 的电子计算机快100倍，而电能消耗仅是 电子计算机的千分之一。如果目前一台 大中型计算机，每小时耗电10千瓦，那 么，同样一台的超导计算机只需一节干 电池就可以工作了。
超导材料介绍ppt课件
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。
超导体知识点
超导体知识点超导体是一种在低温下表现出无电阻和完全磁通排斥现象的材料。
在超导体中，电流可以在没有任何耗散的情况下持续循环流动，这使得超导体在电磁学和能源应用等领域具有巨大的潜力。
本文将介绍超导体的基本概念、超导机制、超导材料和超导应用等方面的知识。
一、超导体的基本概念超导体是指在一定的温度下，电阻可以降至零的材料。
超导现象的发现可以追溯到1911年，在极低温下，荷兰物理学家海克·卡末林发现了汞的超导性。
此后，人们又陆续发现了其他材料也具有类似的特性。
二、超导机制超导现象的产生与电子之间的库仑相互作用密切相关。
在常规金属中，电子在受到温度和其它杂质的影响下会散射，从而产生电阻。
但在超导体中，电子可以通过与晶格振动相互作用，形成库伦对并在晶格中自由传输。
这种电子的凝聚状态使得电流可以在超导体中无阻力地流动。
三、超导材料超导材料可以分为低温超导体和高温超导体两类。
1. 低温超导体低温超导体需要在极低的温度下才能表现出超导特性。
常见的低温超导体包括铅（Pb）、汞（Hg）和锡（Sn）等。
2. 高温超导体高温超导体是指在相对较高的温度下表现出超导特性的材料。
这些材料通常包含氧化物，如铜氧化物（cuprate）、铁基超导体和镨钐铁钛基超导体等。
高温超导体的发现极大地推动了超导技术的发展，因为相对较高的工作温度使得超导体可以更方便地应用于实际生活中。
四、超导应用超导体在多个领域具有广泛的应用前景。
1. 能源传输超导体的无电阻特性使其成为输电线路的理想选择。
通过将输电线路用超导体替代传统的铜导线，可以大大减少能量损失。
2. 磁共振成像（MRI）超导体在医学领域的应用主要体现在磁共振成像技术中。
磁共振成像利用超导体产生的高强度磁场和射频脉冲，可以获得人体内部组织的高清影像，用于诊断和研究。
3. 磁悬浮交通超导体还可以应用于磁悬浮交通领域。
由于超导体可以在磁场中排斥磁通线，使得超导体制成的轨道可以与磁浮车辆产生浮力，从而实现摩擦减小、高速运行的效果。
超导知识点总结大全
超导知识点总结大全超导是一种特殊的物理现象，指的是在超导材料中出现的零电阻和磁场排斥现象。
超导体在低温下可以表现出这些特殊的性质，这种性质使其在许多领域有着重要的应用价值，如电力输送、磁共振成像、粒子加速器等。
本文将从超导的基本原理、超导体的分类、超导态的性质和应用等方面对超导知识点进行总结。
一、超导的基本原理1. Meissner效应Meissner效应是超导体在临界温度以下对磁场的排斥现象。
当超导体处于超导态时，外加磁场会被完全排斥，因此磁场线会被挤压到超导体的周围空间，从而使得超导体在磁场下表现出宏观的磁性。
2. 零电阻超导体在超导态下表现出零电阻的性质，即在超导态下电流可以无阻力地流动。
这是由于超导体中的电子以配对的方式排列，形成了一种类似玻色子的集体运动，因而不会受到散射和阻碍，从而形成零电阻。
3. 超导态的出现超导态的出现是由于超导材料中的库珀对电子结对形成了玻色爱因斯坦凝聚，使得电子可以以集体的方式跨越能隙，形成一个巨大的玻色子集合体，从而产生了超导态。
二、超导体的分类1. 球差密度超导体球差密度超导体是一类超导材料，它在2个向上转化的温度（Tc）之间存在稳定的球差密度超导态，由于在球差超导态时电声耦合强烈，其超导理论的能隙值和临界温度都明显大于BCS理论。
2. 结构输运性质球差密度超导材料是一种高临界温度超导材料，其在常温下即可显示出超导性质，因此具有极大的应用价值。
3. 高温超导高温超导是指临界温度高于液氮温度（77K）的超导材料。
目前已经发现的高温超导材料包括铜氧化物和铁基超导体等，这些材料相较于常规超导材料具有更高的临界温度和更好的工程可塑性。
4. 氧化物超导体氧化物超导体是一类以氧化物为基础的超导材料，它通常是由一种或多种金属氧化物组成，如铜氧化物、钌钛酸盐等。
氧化物超导体具有高临界温度、高临界电流密度和良好的热稳定性等优点。
5. 铁基超导铁基超导是一类基于铁基化合物的超导材料，它具有高临界温度、高临界磁场、优良的输运性质和热稳定性等优点。
超导介绍及应用PPT课件
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。
超导技术的基本原理及应用介绍
超导技术的基本原理及应用介绍引言超导技术是一种在低温条件下，电阻为零的物理现象。
自从1911年荷兰物理学家海克·卡末林·奥斯特瓦尔特发现超导现象以来，超导技术已经在许多领域得到了广泛的应用。
本文将介绍超导技术的基本原理以及其在能源、医疗和交通等领域的应用。
一、超导技术的基本原理超导技术的基本原理是电子在低温下形成库珀对，从而导致电阻为零。
在常规导体中，电子会受到晶格振动的干扰，从而产生电阻。
而在超导体中，当温度降低到超导临界温度以下时，电子会以库珀对的形式运动，这种运动不受晶格振动的干扰，从而导致电阻为零。
超导技术的实现需要低温环境。
一般来说，超导体的超导临界温度较低，需要将其冷却到几个开尔文以下才能实现超导。
目前常用的低温制冷方法包括液氮制冷和液氦制冷。
液氮制冷可以将温度降低到77开尔文左右，而液氦制冷则可以将温度降低到4开尔文以下。
二、超导技术在能源领域的应用1. 超导电缆超导电缆是一种能够传输大电流而无能量损耗的电缆。
由于超导体的电阻为零，电流可以在超导电缆中无阻力地传输。
这使得超导电缆在能源输送方面具有巨大的潜力。
超导电缆可以用于输送大电流的直流电力，可以减少电力输送过程中的能量损耗，提高能源利用效率。
2. 超导发电机超导发电机是一种利用超导技术提高发电效率的发电设备。
传统的发电机在转动时会产生电阻，从而导致能量损耗。
而超导发电机利用超导体的无电阻特性，可以减少能量损耗，提高发电效率。
超导发电机在风力发电和水力发电等领域有广泛的应用前景。
三、超导技术在医疗领域的应用1. 磁共振成像（MRI）磁共振成像是一种利用超导技术进行医学影像诊断的方法。
在MRI设备中，超导磁体产生强大的磁场，通过对人体的磁共振信号进行检测和分析，可以获取人体内部的详细结构信息。
相比传统的X射线成像技术，MRI具有更高的分辨率和更少的辐射。
超导技术的应用使得MRI设备更加稳定和高效。
2. 超导磁刺激超导磁刺激是一种利用超导技术进行神经刺激的方法。
超导技术及其原理
超导技术及其原理超导技术是一种在材料中产生超导电性的技术，其应用广泛，可用于制造超导电缆、MRI、磁悬浮列车、核磁共振仪等。
本文将介绍超导技术的原理、实现以及应用。
一、超导原理超导现象最早是在1911年由荷兰物理学家海克·卡马林发现的。
超导的定义是当某些材料降温至极低温度时，电阻会突然降为零，这是一种没有损失的电流传导状态，称为“超导态”。
超导的原理是由超导电子对的形成来实现的。
在普通电导材料中，电子之间通过散射传递电子，导致电子与材料需要相互作用才能传导。
而在超导材料中，电子之间通过库伯对作用传递电子。
库伯对是指在超导材料中，电子会因为某种相互作用而被绑定在一起，形成一个长程相干态，使得电子可以像单个粒子一样移动，从而导致电流传导。
二、超导实现超导的实现需要满足三个条件：低温、超导材料和外加磁场。
首先，超导材料必须降温至低于超导转变温度。
转变温度是指材料从正常传导态变为超导态的临界温度，不同材料的转变温度有所不同，例如铜的转变温度为293K左右，而铁的转变温度为4.2K左右。
为了降低温度，可以使用液氮、液氦等低温冷却介质。
其次，超导材料必须为超导体。
目前已知的超导体主要有两类：Ⅰ类和Ⅱ类超导体。
Ⅰ类超导体用于制备低场强、低电流密度的超导材料，主要是由纯金属制成。
而Ⅱ类超导体则用于制备大的高场强、高电流密度材料，主要是由复合材料制成。
复合材料是由绝缘体中穿插有超导体颗粒所构成的。
最后，超导体必须处于外加磁场。
当超导体处于外加磁场下时，部分超导电子将被磁场定位而形成能量势垒，使得其变为磁通量量子，其中磁通量量子是磁场和超导材料性质所共同决定的。
磁通量量子可以用Planck常数和电子电荷等物理常数精确计算，并且是一个固定的数值。
外加磁场越强，能出现在超导材料中的磁通量量子就越多。
三、超导应用超导技术的应用十分广泛，以下是一些常见的应用：1. 超导电缆。
超导材料可以用于制造电缆，应用于电力传输中。
超导技术的基本原理和应用
超导技术的基本原理和应用引言超导技术是一种在低温条件下电阻变为零的现象，它具有许多独特的性质和潜在的应用价值。
本文将介绍超导技术的基本原理、发展历程以及其在能源、交通、医疗等领域的应用。
一、超导技术的基本原理超导技术的基本原理可以追溯到1911年荷兰物理学家海克·卡末林发现了超导现象。
当物质的温度降低到超导临界温度以下时，电阻突然变为零，电流可以在材料中无阻碍地流动。
这种现象被称为超导。
超导的基本原理是由电子对的库珀对形成，库珀对是一对自旋相反的电子。
在超导材料中，当温度低于超导临界温度时，库珀对会形成，这使得电子之间的相互作用变得非常强大。
库珀对的形成导致了电子的运动变得无阻碍，从而电阻变为零。
二、超导技术的发展历程自超导现象的发现以来，科学家们一直在探索超导技术的应用潜力，并不断改进超导材料的性能。
在20世纪50年代，人们发现了第一种超导材料铅，随后又陆续发现了其他超导材料。
然而，早期的超导材料只能在非常低的温度下才能表现出超导现象，这限制了超导技术的应用范围。
直到1986年，高温超导材料的发现引起了科学界的轰动。
这些材料在相对较高的温度下就能表现出超导特性，为超导技术的应用提供了更多可能性。
三、超导技术在能源领域的应用超导技术在能源领域有着广泛的应用前景。
利用超导材料的零电阻特性，可以有效减少能源传输过程中的能量损耗。
例如，超导电缆可以将电能以更高的效率输送到远距离，减少能源损耗和环境污染。
此外，超导技术还可以应用于核聚变领域。
核聚变是一种清洁、高效的能源产生方式，但由于高温等因素的限制，目前仍未实现商业化。
超导技术可以用于制造超导磁体，用于控制和稳定核聚变过程中的等离子体，从而提高核聚变的效率和稳定性。
四、超导技术在交通领域的应用超导技术在交通领域也有着广泛的应用前景。
利用超导磁悬浮技术，可以制造出高速、低能耗的磁悬浮列车。
磁悬浮列车通过超导磁体产生的磁场来悬浮和推动列车，减少了与轨道的摩擦，从而提高了列车的速度和能效。
超导技术介绍及其应用领域
超导技术介绍及其应用领域一、超导技术简介某些金属、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。
超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同：零电阻性、完全抗磁性、约瑟夫森效应。
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。
超导技术被认为是21世纪最具有战略意义的高新技术。
二、超导材料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三、超导技术应用领域由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此用途非常广阔，大致可分为三类：电子学应用（弱电应用）、大电流应用（强电应用）和抗磁性应用。
电子学应用包括超导微波器、超导计算机、超导天线等；大电流应用即超导发电、输电和储能；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
四、超导技术应用及原理高温超导滤波器高温超导材料的微波电阻比传统金属材料小3个数量级左右，用高温超导制造的滤波器插入损耗极小（插损≤0.1dB），通带带边陡峭（较传统滤波器提高5-10倍）、带外抑制性好，具有十分理想的滤波性能。
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几个重要概念：
1. 临界温度(Tc)：出现超导电性 的温度称为超导转变温度。 2. 起始转变温度：电阻由正常 值开始陡然下降时的温度。 3. 超导转变的可逆性：即当降 低温度至Tc时，样品电阻突然 降为零；当加热样品使温度达 到Tc时，电阻又会突然恢复正 常值，这个过程可以反复进行.
4. 超导转变宽度：电阻由正常值开始陡然下降到完全消失 的温区。对于非常纯的样品，转变宽度可小至10-5K。而较 差的样品转变宽度可扩大到几K甚至十几K．新发现的高温 氧化物超导体的超导转变宽度就相对于传统超导体更宽．
MgB2超导体在应用上的契 机更让人激动。首先，这个 超导体在20 K左右的温度， 在8万倍于地球磁场的情况 下可以承载很大的超导电流 而且能耗极低。
（2）MgCNi3 2001年，He T.等发现 三元金属间化合物超导体 MgCNi3 (超导转变温度 Tc~7 K)，它具有三维简 单立方钙钛矿结构，其Ni 元素含量高，因而颇引人关 注。Mg、C 和Ni 分别对 应钙钛矿CaTiO3 中的Ca、 Ti 和O。 有可能成为联结两大超导材料(金属化合物和钙钛矿结 构氧化物)的纽带。
经过反复检查后， 卡末林· 昂内斯终于证 实了这是真实的情况。
昂内斯因对物质 低温性质的研究和液 氦的制备而获得1913 年度的诺贝尔物理学 奖。
1911年
H. Kamerlingh Onnes发现汞(Hg)在绝对温度4.2度附近 呈现超导性(获1913年诺贝尔物理学奖)
1913年
1914年 1930年
2. 临界磁场与临界电流 当T<Tc时，当施加磁场强 度达到某一值Hc(T)时，超导 态就会变为正常态，恢复正常 电阻值。H<Hc(T)为超导态， H>Hc(T)为正常态，转变同样 具有可逆性。把Hc(T)称为临 界磁场，它是温度的函数。
T 2 H c (T ) H c (0)[1 ( ) ] Tc
三、传统超导体的唯象理论和微观机制
（1） 伦敦方程 任务：介质方程 j E 失效，寻找替代方程。
电流密度应为
* dv * 在电场E的作用下，超导电子的运动方程是 m e E dt *
（1934戈特(Gorter)和卡西米尔(Casimir)提出）
升 攀 慢 缓 度 温 变 转 导 超
近几年研究的几种重要的超导体
（1）二硼化镁
2001年1月日本东京青山学院的教授Jun kimitsu宣布了这一发现。MgB2的临界 超导温度Tc=40k. ---Robert F. Serverce.Science,295,786(2002).
MgB2 是临界温度最高的金属 化合物超导体，晶体结构为 A1B2 型六方结构,即由石墨蜂 窝型结构的B 层间插入六角密 集排列的Mg 原子构成。
1957年 1958年 1959年 1962年
J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解释 超导现象的微观理论：BCS理论。 (三人获诺贝尔物理学 奖） J. Hulm及B. T. Matthias发现A15结构超导性，得到Tc＞ 20K之超导材料。 J. G. Giaever发现导体的单子隧道效应 B. D. Josephson提出超导电子对的穿隧效应 (获1973年诺贝尔物理学奖) 首先发现金属氧化物BaPb1-xBixO具超导性，Tc=13K。 F. Steglich发现重费米子超导体 D. Jerome发现第一个有机超导体
用磁光法在NbSe2样品上得到的磁通线分布图像
（7）缺陷的钉扎作用提高临界电流
理想的第二类超导体虽具有高的上临界磁场HC2(0)， 却不能承受较大的超导电流。如果第二类超导体内含有大 量缺陷(非理想第二类超导体)，这些缺陷将阻碍磁力线的 移动，称为对磁力线的钉扎作用，其结果是穿过超导体的 磁力线排列不再均匀，磁化时有滞后作用，而超导体则可 承受大的超导电流。 缺陷的钉扎作用越强，磁化的磁滞效应越大，则临界 电流也越高。用来制造高强磁场的超导线圈都是用非理想 第二类超导体制成的。例如经特殊处理的NbTi合金线临 界电流可高达 2 10 5 A/cm 2 ，可用以产生4特斯拉的 强磁场。
发现Pb于温度7.2K时具超导性。
Onnes以铅(Pb)超导体制作线圈证明永久电流之存在 发现Nb，Tc=9.2K为所有金属最高者 W. Meissner及R. Oschenfeld发现超导体具有完全抗磁 性，证明超导性之相转变是热力学相变 Meissner & Ochsenfeld提出超导状态下之完全反磁性 (Perfect Diamagnetic)，又称迈氏效应 C.J. Gorter及H. B. Casimir提出二流体模型解释超导 现象，说明超导体内的电子分超导电子和正常电子两种。 F. London及H. London由二流体模式提出所谓London model，解释迈氏效应，定义穿透深度 (penetration depth)为超导体的特性长度，即静磁场下磁力线穿透超 导体表面深度，在此深度范围内，磁力线密度呈现指数 衰减。
（6） 磁通量子化
实验观测发现，当外磁场增强 时，圆柱形正常区的磁通量并不 发生变化，而只是增多这种圆柱 形正常区的数目；当H= HC2时， 这些圆柱形正常区彼此接触，超 导区消失，整个样品成为正常态。 每个圆柱体正常区的磁通量恰 好为一个磁通量子.
0 h / 2e
即为超导体的磁通量子化现象。
临界电流： 实验还表明，如果在不加磁场的情况下，在超导体中通过 足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需 要的电流称作临界电流IC(T)． 解释：当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到HC时， 超导电性就被破坏，这个电流的大小就是样品的临界电 流．
这一点对其应用不利！
3. 迈斯纳(Meissner)效应（完全抭磁性）
1993年
2001年
内容提要
一、超导体的发现、研究历程 二、超导体的特征，两类超导体 三、传统超导体的唯象理论和微观机制 四、约瑟夫孙效应 五、高温超导体研究 六、铁基超导研究 七、超导研究的主要方向
一、超导的发现和研究历程
1911年，荷兰物理学家 昂纳斯(K. Onnes)首次 发现汞在4.2K的低温时 出现电阻为零的现象， 物理学上称其超导现象。 电阻突然消失是物质进 入了一种完全新的状态， 这种状态称之为超导态。 具有超导电性的物质称 作为超导体。
第十章：超导
超导研究获诺贝尔物理学奖情况
1913年 H.K.昂尼斯(荷兰) 在低温下研究物质的性质并制成 液态氦 1972年 J.巴丁(美) L.N.库柏(美) 所谓BCS理论的超导性理论 J.R.斯莱弗(美) 提出
1973年 B.D.约瑟夫森(英) 关于固体中隧道现象的发现,从理 论上预言了超导电流能够通过隧道阻挡层(即约瑟夫森效应) 1987年 J.G.柏诺兹(美) K.A.穆勒(美) 发现新的超导材料
(2) 比热容
T bT 3
ae / k BT bT 3
（3） 超导能隙
（4）同位素效应
M Tc 常数
（5） 两类超导体
T 2 H ci (T ) H ci (0)[1 ( ) ] Tc
Alexei A. Abrikosov 美国国家阿岗实验室 2003年获得诺贝尔物 理学奖
1950年
1956年
1957年
Alexei Abrkosov研究超导体在外加磁场下的行为发现两 种不同性质，将其分类为第一类和第二类超导体(Type-I and Type II Superconductor)。 预测第二类超导体于高磁场下其磁通束以三角晶格排列的 点阵排列(Abrkosov2003年获诺贝尔物理学奖)
超导电性的普遍性：至少三十余种金属（常压下） 元素在极低温度下能够成为超导体。甚至某些半导 体、多元金属氧化物、一系列合金（共计5000余 种料的分类：
常规超导体(如Nb-Ti合金)
高温超导体(如YBa2Cu3O7-x) 非晶超导材料 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(如富勒烯等修饰的化合物)
超导转变宽度窄好还是宽好？
5.零电阻的实验验证：
美国麻省理工学院
J. Collins
2年半
法奥（J．File）和迈奥斯（R．G．Mills）利用精确 核磁共振方法测量超导电流产生的磁场来研究螺线管内 超导电流的衰变，他们的结论是超导电流的衰减时间不 低于十万年．
二、超导的主要特征，两类超导体
1. 零电阻
Tc~110K
Sheng & Herman ，发现Tl系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)铜氧化合物 Tc~125K A.Schilling et. al. ，发现Hg系(HgBa2Ca2Cu3O8)铜氧化 合物 Tc~134K (Hg系铜氧化合物为目前常压下Tc最高之化 合物) ，在高压下为164K J.Nagamatsu et. al. ，发现MgB2介金属化合物Tc ~40K ( 为目前Tc最高之金属化合物)
（3） 富勒烯和碳纳米管 富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称(主要有 C60和C70)。C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属
嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变 为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。 与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性， 电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价 值的新型超导材料。
1932年
1933年 1934年
1934年
1937年 1950年
L.D. Landau提出外磁场下的超导中间态的结构模型 E.Maxwell和C.A.Reynolds发现现超导体的同位素效应 -β Tc ~ M Vitaly Ginzburg & Lev Landau首先提出超导体内的超导 电子并非局部化观念，即超导电子并非完全单独的存在， 彼此间可能些关联。电子间可能有关联的最长距离称为相 干长度(Coherent Length)。 (Landau1962年与Ginzburg2003年获诺贝尔物理学奖) L. N. Cooper提出一对电子间如存在吸引力，即可形成一 束缚态的概念(s-wave电子对)