研究生课件：材料的导电性能
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超导
T
Tc 温度
2.2 材料的超导现象
超导材料的应用
高温超导材料的用途，大致可分为以下三类： （１）大电流应用（强电应用）； （２）电子学应用（弱电应用）； （３）抗磁性应用。
2.2 材料的超导现象
发电机的原理
2.2 材料的超导现象
发电机的原理----磁场哪里来？
1、他励 在发动机起动期间，由蓄电池为励磁绕组提供励 磁Fra Baidu bibliotek流，以增强磁场，使发电机在低速转动时电 压能迅速上升，从而实现发动机怠速时发电机能 向蓄电池充电，这种供给磁场电流的方式称为他 励发电。 2、自励 随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并外 输出，当发电机能对外供电时，就可以把自身发 的电供给磁场绕组励磁电流，这种供给磁场电流 的方式称为自励。
2.2 材料的超导现象
超导输电
超导材料还可以用于制作超导电线和超导 变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给 用户。据统计，目前的铜或铝导线输电， 约有15%的电能损耗在输电线路上，光是 在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。 若改为超导输电，节省的电能相当于新建 数十个大型发电厂。
材料的导电性
2020年6月于北京
本章目录
1 导电性的基本概念和宏观物理量 2 材料的导电机理分析 3 材料导电性的影响因素及影响规律 4 材料导电性的测量及应
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
不同物质有不同的导电性，如何表征？
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
长度(m)，时间(s)，质量(kg)，温度(K)，电流(A) 光强度单位(cd-坎德拉），物质的量(mol)
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
早期的科学家发现，对于 同一种材料。电阻的大小 与长度成正比，与截面面 积成反比。
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
用电阻率已经能够描述不同物质的导电性 能。物理学家们为了增大学渣们学习物 理的难度。又引入一个定义：电导率
第二节、材料的导电机理分析
无外加电场
2.2 材料的超导现象
存在两个临界磁场（下 临界磁场和上临界磁 场），材料处于下临界 磁场时是完全超导态， 在下临界磁场和上临界 磁场之间，处于混合态。 当磁场达到上临界磁场 时，磁场完全透入材料 并完全恢复到有电阻的 正常态。
第Ⅱ类超导材料
H 外磁场
Hc2( 0 )
正常态
混合态
Hc1( 0 )
Hc1(T )
2.2 材料的超导现象
超导发电的优势
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性， 因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上 的稳态强磁场。 而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗 3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。
2.2 材料的超导现象
超导发电的优势
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％。
2.2 材料的超导现象
发电机的原理----磁场哪里来？
在发动机低速运转时交流发电机不能自励发电， 所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠 速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电 压1～2V以便对蓄电池充电，由发电机自励发电， 即交流发电机的励磁方法是先他励后自励。
2.2 材料的超导现象
一台普通大型发电机需用15~20吨铜丝绕成 线圈，如果用超导材料作线圈，只要几百克 就够了，而发出的电力却一样.
2.2 材料的超导现象
Cooper 电子对
在临界温度以下，两个电子可“组团”形成电 子对。组团后的电子通过导体的能力大大加强。
2.2 材料的超导现象
第Ⅰ类超导材料 在临界磁场以下，磁 通是完全被排斥在超 导体之外的，只要磁 场高于临界磁场，磁 场就完全透入超导体 中，材料也恢复正常。
超导态向正常态的转变无任何中间态。
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
量子自由电子学说认为： •自由电子在均匀的等势场中以粒子波的形式 运动； •电子的能量是量子化的，能级是准连续的； •电子按能级的分布规律遵循费米狄拉克统计 分布规律； •价电子（自由电子）中只有一部分电子在受 到外部能量的激发跃迁到费米能级以上的允许 能级时，才能成为直正意义的自由电子——有 效电子。
2.2 材料的超导现象
2.2 材料的超导现象
2.2 材料的超导现象
迈斯纳效应（完全抗磁性）
2.2 材料的超导现象
临界磁场
2.2 材料的超导现象
三个临界参数 1. 临界温度 2. 临界磁场 3. 临界电流
T Tc , H H c , I Ic
2.2 材料的超导现象
Josephson 效应
2.2 材料的超导现象
1908 年在Leiden 大学(荷 兰) , 卡茂林· 恩涅斯 (Kamerlingh Onnes )获得 液氦, 并得到了1K 的低温。 1911 年他发现在4 .2K附 近, 水银的电阻突然降到 无法检测的程度。这种在 一定的低温条件下, 金属 突然失去电阻的现象叫超 导电性。发生这种现象的 温度称为临界温度, 并以 Tc 表示。
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论 绝缘体、半导体、导体
2.1 电子导电的机理分析
电阻的来源
能带理论认为：能带中的电子可在晶格 中自由运动，因此电子波通过理想晶体 点阵(0K）时不受散射，电阻为0。电阻 的来源：破坏晶格周期性的因素对电子 的散射。A.杂质和缺陷（空位、间隙原 子、位错、晶界等）。B.声子：晶格振 动波的能量子。
有外加电场
2.1 电子导电的机理分析
经典自由电子导电理论
基本出发点： 1、价电子是自由的 2、价电子之间没有交互作用 3、价电子和离子实（原子核+内层电子）之 间没有交互作用。 4、电子能量满足波尔兹曼分布。
2.1 电子导电的机理分析
经典自由电子导电理论
波尔兹曼分布
2.1 电子导电的机理分析
经典自由电子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
费米能级
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
电子从低能级向高能级排，最 后一个被填充的轨道所对应的 能量就是费米能级。
T
Tc 温度
2.2 材料的超导现象
超导材料的应用
高温超导材料的用途，大致可分为以下三类： （１）大电流应用（强电应用）； （２）电子学应用（弱电应用）； （３）抗磁性应用。
2.2 材料的超导现象
发电机的原理
2.2 材料的超导现象
发电机的原理----磁场哪里来？
1、他励 在发动机起动期间，由蓄电池为励磁绕组提供励 磁Fra Baidu bibliotek流，以增强磁场，使发电机在低速转动时电 压能迅速上升，从而实现发动机怠速时发电机能 向蓄电池充电，这种供给磁场电流的方式称为他 励发电。 2、自励 随着转速的提高，发电机的电动势逐渐升高并外 输出，当发电机能对外供电时，就可以把自身发 的电供给磁场绕组励磁电流，这种供给磁场电流 的方式称为自励。
2.2 材料的超导现象
超导输电
超导材料还可以用于制作超导电线和超导 变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给 用户。据统计，目前的铜或铝导线输电， 约有15%的电能损耗在输电线路上，光是 在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。 若改为超导输电，节省的电能相当于新建 数十个大型发电厂。
材料的导电性
2020年6月于北京
本章目录
1 导电性的基本概念和宏观物理量 2 材料的导电机理分析 3 材料导电性的影响因素及影响规律 4 材料导电性的测量及应
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
不同物质有不同的导电性，如何表征？
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
长度(m)，时间(s)，质量(kg)，温度(K)，电流(A) 光强度单位(cd-坎德拉），物质的量(mol)
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
早期的科学家发现，对于 同一种材料。电阻的大小 与长度成正比，与截面面 积成反比。
第一节、导电性的基本概念和宏观物理量
用电阻率已经能够描述不同物质的导电性 能。物理学家们为了增大学渣们学习物 理的难度。又引入一个定义：电导率
第二节、材料的导电机理分析
无外加电场
2.2 材料的超导现象
存在两个临界磁场（下 临界磁场和上临界磁 场），材料处于下临界 磁场时是完全超导态， 在下临界磁场和上临界 磁场之间，处于混合态。 当磁场达到上临界磁场 时，磁场完全透入材料 并完全恢复到有电阻的 正常态。
第Ⅱ类超导材料
H 外磁场
Hc2( 0 )
正常态
混合态
Hc1( 0 )
Hc1(T )
2.2 材料的超导现象
超导发电的优势
由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性， 因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上 的稳态强磁场。 而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗 3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。
2.2 材料的超导现象
超导发电的优势
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％。
2.2 材料的超导现象
发电机的原理----磁场哪里来？
在发动机低速运转时交流发电机不能自励发电， 所以低速时采取他励发电，当发动机达到正常怠 速转速时，发电机的输出电压一般高出蓄电池电 压1～2V以便对蓄电池充电，由发电机自励发电， 即交流发电机的励磁方法是先他励后自励。
2.2 材料的超导现象
一台普通大型发电机需用15~20吨铜丝绕成 线圈，如果用超导材料作线圈，只要几百克 就够了，而发出的电力却一样.
2.2 材料的超导现象
Cooper 电子对
在临界温度以下，两个电子可“组团”形成电 子对。组团后的电子通过导体的能力大大加强。
2.2 材料的超导现象
第Ⅰ类超导材料 在临界磁场以下，磁 通是完全被排斥在超 导体之外的，只要磁 场高于临界磁场，磁 场就完全透入超导体 中，材料也恢复正常。
超导态向正常态的转变无任何中间态。
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
量子自由电子学说认为： •自由电子在均匀的等势场中以粒子波的形式 运动； •电子的能量是量子化的，能级是准连续的； •电子按能级的分布规律遵循费米狄拉克统计 分布规律； •价电子（自由电子）中只有一部分电子在受 到外部能量的激发跃迁到费米能级以上的允许 能级时，才能成为直正意义的自由电子——有 效电子。
2.2 材料的超导现象
2.2 材料的超导现象
2.2 材料的超导现象
迈斯纳效应（完全抗磁性）
2.2 材料的超导现象
临界磁场
2.2 材料的超导现象
三个临界参数 1. 临界温度 2. 临界磁场 3. 临界电流
T Tc , H H c , I Ic
2.2 材料的超导现象
Josephson 效应
2.2 材料的超导现象
1908 年在Leiden 大学(荷 兰) , 卡茂林· 恩涅斯 (Kamerlingh Onnes )获得 液氦, 并得到了1K 的低温。 1911 年他发现在4 .2K附 近, 水银的电阻突然降到 无法检测的程度。这种在 一定的低温条件下, 金属 突然失去电阻的现象叫超 导电性。发生这种现象的 温度称为临界温度, 并以 Tc 表示。
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论 绝缘体、半导体、导体
2.1 电子导电的机理分析
电阻的来源
能带理论认为：能带中的电子可在晶格 中自由运动，因此电子波通过理想晶体 点阵(0K）时不受散射，电阻为0。电阻 的来源：破坏晶格周期性的因素对电子 的散射。A.杂质和缺陷（空位、间隙原 子、位错、晶界等）。B.声子：晶格振 动波的能量子。
有外加电场
2.1 电子导电的机理分析
经典自由电子导电理论
基本出发点： 1、价电子是自由的 2、价电子之间没有交互作用 3、价电子和离子实（原子核+内层电子）之 间没有交互作用。 4、电子能量满足波尔兹曼分布。
2.1 电子导电的机理分析
经典自由电子导电理论
波尔兹曼分布
2.1 电子导电的机理分析
经典自由电子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
费米能级
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2.1 电子导电的机理分析
量子导电理论
2-1-2 量子导电理论
电子从低能级向高能级排，最 后一个被填充的轨道所对应的 能量就是费米能级。