超导技术及其应用ppt(第1讲)

1.超导技术导言
2013-6-28
1.4 超导体分类
第Ⅱ类超导体
(1)第II类超导体由正常态 转变为超导态时有一个 中间态 (2)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 (3)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
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1.2 超导物理特性
超导体零电阻观察与测量： 一超导环臵一磁场中，然后冷却使之转变成超导态， 快速撤去磁场。产生感应电流。
(a)T>Tc在超导环上加磁场
(b) T<Tc圆环转变为超导态
(c) 突然撤去外电场，超导环中产生持续电流
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1.2 超导物理特性
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1.2 超导物理特性
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1.2 超导电性
超导体内部电流永远不会消失
昂尼斯发现超导电性以后，继续进行实验，测量低 温下电阻是否完全消失。昂尼斯把一个铅制圆圈放入杜 瓦瓶中，瓶外放一磁铁，然后把液氦倒入杜瓦瓶中使铅 冷却成为超导体，最后把瓶外的磁铁突然撤除，铅圈内 便会产生感应电流并且此电流将持续流动下去，这就是 昂尼斯持久电流实验。许多人都重复做这个实验，其中 电流持续时间最长的一次是从１９５４年３月１６日到 １９５６年９月５日，而且在这两年半时间内持续电流 没有减弱的迹象，液氦的供应中断实验才停止。持续电 流说明超导体的电阻可以认为是零。
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1.5 超导材料
超导特性发现于1911年：4.2K 临界温度提高很慢：75年后达23.2K. 1988年：110K（2年：100度）
著名高温超导物理学家
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1.5 超导材料
1986年出现了突破性的进展， 美国IBM公司瑞士实验室的研究 人员米勒和贝德诺尔 茨于1986 年1月发现了临界温度为35K的锎 钡铜氧化物陶瓷超导材料，这一 温度比1973 年的记录又提高了 12K。 从而获得了1987年诺贝尔物 理学奖。
V
失超
Ic(V)
I
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1.2 超导物理特性
临界磁场
逐渐增大磁场到达一定值 H 后，超导体会从超导态变为 正常态，把破坏超导电性所 需的最小磁场称为临界磁场，Hc(0) 记为Hc。 有经验公式： Hc(T)=Hc(0)(1-T /Tc )
2 2
正常态
超导态
Tc
T
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1.5 超导材料
为了寻找较高临界温度的超导材料，在50年代早期，科 学家们将注意力转向了合 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。 1960年，昆兹勒发现了铌锡合金在 8.8万高斯磁场中仍具 有超导性。它正是第Ⅱ 类超导体。以后，又陆续发现了若干 铌系列合金超导体。 1973年，发现了铌锗合金，其临界温度可达 23.2K，这一 发现又激起了科学家们 寻找高温超导体的热情。 第Ⅱ类超导 体发现后，美国和英国的一些公司又花了近10年时间开发可 靠的超导产品。 之后，人们进入 了在多元素化体系中寻找高临界温度超 导体的竞赛。
超导体内部电流10万年不会消失
后来，费勒和密尔斯利用核磁共振方法测得结果 表明：将测量精度作为衰减量，超导电流至少持续时间 不少于１０万年。“事实上，我们会发现，在绝大多数 情况下，小于1010000000000年时间内，我们不能指望 磁场或者电流会有任何变化！”（《超导电性导论》 [美] M.廷哈姆，哈佛研究生教材，1975；中译本， 1985年9月，科学出版社)
1.2 超导物理特性
临界温度
临界电流 临界磁场 零电阻 迈斯纳效应
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1.2 超导物理特性
实现超导必须具备
一定的条件，如温度 、 磁场、电流都必须足够 的低。超导态的三大临 界条件：临界温度、临
界电流和临界磁场，三
者密切相关，相互制约。
1.超导技术导言
1.超导技术导言
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1.5 超导材料
1986年1月 在美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实 验室中工作的科学家柏诺兹和缪勒，首先发现钡镧铜氧化物 是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京 大学工学部又将超导温度提高到37K。 1987年1月初 日本川崎国立分子研究所将超导温度提 高到43K；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到 46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领 导的研究组，获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体，并看 到这类物质有在70K发生转变的迹象。
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在 4.20K 附 近 汞 的 电 阻 突 降 为 零
0.150
R /()
**
0.100
*
0.050
Tc ：临界温度
4.20 4.40
0.000 4.00
T /K
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金属导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少。 然而，对于普通导体，如铜和银，纯度和其它缺 陷也会影响其极限。即使接近绝对零度时，纯样 的铜也仍然保有电阻值。 而超导体的电阻值，相 反的，则是当材料低于其“临界温度”时，电阻 会骤然降为零，通常在绝对温度 20 度或更低時。 在超导体线材里面的电流能够不断地持续而不需 要再额外提供电能。
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1.5 超导材料
1987年 2月，中国、日本和美国 先后报导了临界温度超 过氮气液化温度 77.3K的超导体研制成功的消息。同 一时期， 高温超导进入了一个突飞猛进的发展阶段。在这个研究领域 中，中国、美国 和日本处于领先地位。 高温超导材料高于 35K的超导材料均为金属氧化物，亦即陶瓷材料。高于77.3K 的 超导材料的金属中除一例外，均含金属铜，其中比较典型 的是钇、钡、铜氧化物。 80年代中期以来，新发现了1300多 种超导材料。
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1.2 超导物理特性
迈斯纳效应
超导体的完全抗磁性会产 生磁悬浮现象，磁悬浮现象在 工程技术中有许多重要的应用， 如用来制造磁悬浮列车和超导 无摩擦轴承等。
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1.2 超导物理特性
BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)
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1.2 超导物理特性
临界温度(Tc): 超导体电阻突然变 为零的温度。
临 界 温 度
(T℃)
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1.2 超导物理特性
临界电流
超导体无阻载流的能力 也是有限的，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，记为Ic。目前，常用 电场描述Ic(V) ，即当每厘 米样品长度上出现电压为 1V时所输送的电流。
2013-6-28
1.1 超导的发现
荷兰物理学家昂纳斯 (Heike Kamerlingh Onnes) 低温物理学家 1853年9月21日生于荷兰 的格罗宁根，1926年2月 21日卒于荷兰的莱顿．因 制成液氦和发现超导现象 象1913年获诺贝尔物理 学奖．
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1.超导技术导言
2013-6-28
1.5 超导材料
未来超导材料的发展
日本和美国都在积极研究开发新一代超导线材，并取 代铋系列超导线材而应用在机器设备上。钇系列超导材料 的制造技术已经基本确立起来，正在开发的有蓄电装臵和 磁分离装臵等。目前，两种最有前途的超导电子元件：其 一是超导量子干涉元件，其二是单一磁通量子元件。前者 由于能够测量极其微弱的磁性，因而可被应用到医学和材 料的非接触探伤等方面；后者具有运算速度快、消耗电力 少等优异性能，有望被用作新的信息处理元件,但关键是要 大幅度提高这种元件的集成度。
巴丁、库柏、施里弗获得了1972年诺贝尔物理奖
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1.2 超导物理特性
BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)
1957 年在伊利诺大学的 B. D. Bardeen(巴丁)、L. N. Cooper(库柏) 及 J. R. Schrieffer(施里弗) 为了正确解释超 导现象，发表了著名且完整的超导微观理论（量子理论），称 为 BCS 理论。BCS理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗 于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命 名这一理论. BCS理论认为：晶格的振动使自旋和动量都相反的两个电子 组成动量为零的库珀对，所以根据量子力学中物质波的理论， 库珀对的波长很长，以至于其可以绕过晶格缺陷杂质流动从而 无阻碍地形成电流。
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2013-6-28
1.5 超导材料
1987年2月14号中国物理学家赵忠贤获得110 K的超导材 料；
1987年3月9号，日本宣布获得175 K的超导材料； 1987年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂 琨发现了另外一种材料；钇－钡－铜－氧化物，使超导记录 提高到了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富 的液氮来冷却。
S
N
S N
注：S表示超导态
N表示正常态
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1.2 超导物理特性
迈斯纳效应
德国物理学家迈纳斯
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1.2 超导物理特性
迈斯纳效应
dΦ d( B S ) E dl dt dt
E 0, dB / dt 0 当 H 外 H c , H内 0 H H S
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1.2 超导物理特性
零电阻
当 电阻率
T Tc ,
I Ic
电导率 ，
（临界电流）时，
0

零电阻是超导体的一个重要特性，实验表明：超导状态 中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通 过超导体的电流有关，这意味着存在临界电流，超过临界电 流就会出现电阻.
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1.5 超导材料
1987年2月16日 美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴 茂昆获得转变温度为98K的超导体。 1987年2月20日 中国也宣布发现100K以上超导体。1987 年3月3日，日本宣布发现123K超导体。 1987年3月12日 中国北京大学成功地用液氮进行超导磁 悬浮实验。
单 位：武汉大学电气工程学院 办公室：大电网安全研究所2311室 主讲人：彭晓涛 杨军
课程内容
超导技术导言
超导电力系统及其设备 超导磁悬浮技术 超导磁储能技术
2013-6-28
2013-6-28
超导体（superconductor）
超导体是指当某种导体在一定温度下，可使电阻 为零的导体。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性， 也称为超导现象。使超导体电阻为零的温度，叫超导临 界温度。
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1.2 超导物理特性
BCS理论:(Bardeen,Cooper,Schrieffer)
理论——高深的量子力学和 许多数学知识。 两个电子－电子库柏对－超 导电流。 晶格振动的热运动—拆散库 柏对 不能解释30K以上超导现现 象.(金属：30K为禁区).
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1.4 超导体分类
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）
1.超导技术导言
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1.4 超导体分类
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。
1.超导技术导言
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1.2 超导物理特性
迈斯纳效应
迈斯纳效应又叫完全 抗磁性，1933年迈斯纳研 究超导态的磁性时发现， 超导体一旦进入超导状态， 超导体内部的磁通量将全 部被排出超导体外部，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。
超导体内
H 0
N
I
1.超导技术导言
2013-6-28
1.2 超导物理特性
迈斯纳效应
观察迈斯纳效应的磁悬浮试验 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。