超導(dǎo)體以及超導(dǎo)體的應(yīng)用簡(jiǎn)單介紹

1、 吳瑾照 2014-5-12超導(dǎo)體以及超導(dǎo)體以及超導(dǎo)體應(yīng)用超導(dǎo)體應(yīng)用超導(dǎo)原理1913年 荷蘭實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家昂內(nèi)斯，他在1911年首次發(fā)現(xiàn)低溫條件下的某些金屬有超導(dǎo)現(xiàn)象，并由此開(kāi)拓了低溫物理學(xué)和超導(dǎo)物理學(xué)這些新的物理分支，從而獲得當(dāng)年的物理學(xué)獎(jiǎng)。 2.1972年 巴?。↗ohn Bardeen）、庫(kù)珀（Leon North Cooper）和施里弗（John Robert Schrieffer）因發(fā)現(xiàn)稱為BCS理論的超導(dǎo)理論，共同分享了1972年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。3.1973年 江崎玲于奈（Leo Esaki）和加埃沃（Ivar Giaever）因分別發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和超導(dǎo)體中的隧道貫穿、約瑟夫森（Bri

2、an David Josephson）因從理論上預(yù)言了通過(guò)隧道阻擋層的超電流的性質(zhì)，特別是被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，共同分享了1973年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。4.1987年 柏諾茲(J. Georg Bednor)和繆勒(Karl A. Muller)因發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧系統(tǒng)中的高Tc超導(dǎo)電性，共同分享了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。超導(dǎo)原理電阻： 電流是導(dǎo)體中電子的定向移動(dòng)，電子在原子間移動(dòng)時(shí)，由于原子與原子核間的電磁力作用會(huì)引起原子振動(dòng)。這個(gè)振動(dòng)就是電阻產(chǎn)生的原因。超導(dǎo)體中存在著電子對(duì)，這些電子對(duì)可以平穩(wěn)地通過(guò)由失去部分電子的原子所組成的通道。不會(huì)引起原子振動(dòng)，即超導(dǎo)現(xiàn)象。 1911年，荷蘭萊

3、頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類(lèi)似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)。卡茂林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)。在他之后，人們開(kāi)始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)歷史超導(dǎo)歷史1911年，昂內(nèi)斯在液氦溫度下研究金屬的電阻與溫度的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)溫度T=4.2K附近水銀樣品的電阻從0.125歐姆突然降至零，他把這種現(xiàn)象稱為零電阻性或超導(dǎo)電性。出現(xiàn)超導(dǎo)電現(xiàn)象的那個(gè)溫度稱為臨界溫度或轉(zhuǎn)變溫度，用TC表示。自1911年以后，又發(fā)現(xiàn)了23種純金屬也具有超導(dǎo)性。包括水

4、銀在內(nèi)，24種純金屬超導(dǎo)材料的臨界溫度范圍為0.1K9.13K，最高溫度為9.13K的是鈮元素。1950年，科學(xué)家將注意力轉(zhuǎn)向了合金和化合物。1952年，發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為17K的硅化釩，不久又發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為18K的鈮錫合金，這在當(dāng)時(shí)是最高的臨界溫度，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了若干鈮系列合金超導(dǎo)體。超導(dǎo)歷史超導(dǎo)歷史1973年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鈮鍺合金，其臨界溫度為23.3K，該紀(jì)錄保持了13年。1986年，米勒和貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了一種氧化物（鑭-鋇-銅-氧化物陶瓷超導(dǎo)材料）具有35K的高溫超導(dǎo)性，突破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念。1986年底，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K

5、，液氫的“溫度壁壘”被跨越。超導(dǎo)歷史超導(dǎo)歷史1987年，中國(guó)科學(xué)家趙忠賢在釔-鋇-銅-氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)（77K）也被突破了，這使超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于液氮的氣化溫度，使資源豐富、價(jià)格低廉的液氮作為超導(dǎo)體工作的冷卻劑成為可能。人們將這類(lèi)銅基氧化物超導(dǎo)（TC77K)叫做高溫超導(dǎo)體。1987年底鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的紀(jì)錄提高到125K。1991年發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性。1993年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度為133K的汞-鋇-鈣-氧系材料邁斯納效應(yīng)零電阻現(xiàn)象如何判定一種材料是不是超導(dǎo)體？約瑟夫遜效應(yīng)在一個(gè)淺平的錫盤(pán)

6、中，放入一個(gè)體積很小磁性很強(qiáng)的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開(kāi)錫盤(pán)表面，飄然升起，與錫盤(pán)保持一定距離后，便懸空不動(dòng)了。這是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無(wú)法穿透超導(dǎo)體，磁場(chǎng)發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力。在較高的溫度時(shí)是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，甚至是絕緣體，可是當(dāng)溫度降到某一特定值Tc時(shí)，它的直流電阻突然下降為零的這一現(xiàn)象。在線形量子力學(xué)中，由于電子等微觀粒子具有波粒二象性，當(dāng)兩塊金屬被一層厚度為幾十至幾百A的絕緣介質(zhì)隔開(kāi)時(shí)，電子等都可穿越勢(shì)壘而運(yùn)動(dòng)。加電壓后，可形成隧道電流，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。 若把上述裝置中的兩塊金屬換成超導(dǎo)體后，當(dāng)其介質(zhì)層厚度減

7、少到30A左右時(shí)，由超導(dǎo)電子對(duì)的長(zhǎng)程相干效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生隧道效應(yīng)，稱為約瑟夫遜效應(yīng)超導(dǎo)的分類(lèi)通過(guò)材料對(duì)于磁場(chǎng)的相應(yīng)可以把它們分為第一類(lèi)超導(dǎo)和第二類(lèi)超導(dǎo)對(duì)于第一類(lèi)超導(dǎo)體只存在一個(gè)單一的臨界磁場(chǎng)，超過(guò)臨界磁場(chǎng)的時(shí)候，超導(dǎo)性消失；對(duì)于第二類(lèi)超導(dǎo)體，他們有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)值，在兩個(gè)臨界值之間，材料允許部分磁場(chǎng)穿透材料。通過(guò)解釋的理論不同可以把它們分為：傳統(tǒng)超導(dǎo)體和非傳統(tǒng)超導(dǎo)體通過(guò)材料達(dá)到超導(dǎo)的臨界溫度可以把它們分為高溫超導(dǎo)體和低溫超導(dǎo)體超導(dǎo)體的應(yīng)用超導(dǎo)體的應(yīng)用 超導(dǎo)體可以有非常大的用途，這也是各國(guó)科學(xué)家努力研究超導(dǎo)的重要原因。用超導(dǎo)體輸送電能可以大大減少消耗，用高溫超導(dǎo)體材料加工的電纜，其載流能力是常用銅絲的

8、1200倍；利用超導(dǎo)體可以形成強(qiáng)大的磁場(chǎng)，可以用來(lái)制造粒子加速器等，如用于磁懸浮列車(chē)，列車(chē)時(shí)速可達(dá)500千米；利用超導(dǎo)體對(duì)溫度非常敏感的性質(zhì)可以制造靈敏的溫度探測(cè)器。超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬(wàn)高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場(chǎng)，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā) 電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。人們現(xiàn)在正不斷地尋找新的超導(dǎo)體，其主要方向就是尋找能在較高溫度下存在的超導(dǎo)體材料，即“高溫超導(dǎo)體”(這里的高溫是相對(duì)而言的)。

9、20世紀(jì)80年代末，世界上掀起了尋找高溫超導(dǎo)體的熱潮，1986年出現(xiàn)氧化物超導(dǎo)體，其臨界溫度超過(guò)了125K，在這個(gè)溫度區(qū)上，超導(dǎo)體可以用廉價(jià)而豐富的液氮來(lái)冷卻。此后，科學(xué)家們不懈努力，在高壓狀態(tài)下把臨界溫度提高到了164K(-109)。1998年中國(guó)科學(xué)家研制成功了第一根鉍系高溫超導(dǎo)輸電電纜。這一成功極大地推進(jìn)了中國(guó)高溫超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。高溫超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類(lèi)：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車(chē)和熱核聚變反應(yīng)堆等。超導(dǎo)發(fā)電大笨重

10、效率低一種超導(dǎo)電磁流發(fā)電裝置，是由一組直流線圈和輸出接線端與多組交流線圈和輸出接線端構(gòu)成的內(nèi)口為方型或其它形狀中空的線圈組與插在中空腔內(nèi)的截面為方型或其它形狀的長(zhǎng)條型超導(dǎo)磁體構(gòu)成超導(dǎo)輸電在傳輸過(guò)程中電能由于導(dǎo)線的電阻產(chǎn)生的損耗由于傳統(tǒng)的導(dǎo)線的限制，為了達(dá)到輸電量的要求，所需要的設(shè)備設(shè)施，產(chǎn)生的建造費(fèi)用減少傳輸過(guò)程中的損耗，磁懸浮由于超導(dǎo)體具有完全抗磁性，在車(chē)廂底部裝備的超導(dǎo)線圈，路軌上沿途安放金屬環(huán)，就構(gòu)成懸浮列車(chē)。當(dāng)列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，由于金屬環(huán)切割磁力線，將產(chǎn)生與超導(dǎo)磁場(chǎng)方向相反的感生磁場(chǎng)。根據(jù)同性相斥原理，列車(chē)受到向上推力而懸浮。磁懸浮說(shuō)說(shuō)導(dǎo)軌與機(jī)車(chē)間不存在任何實(shí)際接觸，沒(méi)有摩擦，時(shí)速可達(dá)幾百公

11、里；磁懸浮列車(chē)可靠性大，維修簡(jiǎn)便，成本低，能源消耗僅是汽車(chē)的一半、飛機(jī)的四分之一；噪聲小，時(shí)速達(dá)300公里/小時(shí)，噪聲只有65分貝；以電為動(dòng)力，沿線不排放廢氣，無(wú)污染，是一種綠色環(huán)保的交通工具。核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”核聚變反應(yīng)堆“磁封閉體”：核聚變反應(yīng)時(shí)，內(nèi)部溫度高達(dá)1億度2億度，沒(méi)有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì)。而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)可以作為“磁封閉體”，將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來(lái)，然后慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀(jì)應(yīng)用前景最廣闊的新能源。超導(dǎo)體超級(jí)計(jì)算機(jī)高速計(jì)算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模

12、集成電路面臨的難題。超導(dǎo)體計(jì)算機(jī)中的超大規(guī)模集成電路中各個(gè)元件之間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來(lái)制作，不存在散熱問(wèn)題，可以提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。鐵基超導(dǎo)根據(jù)BCS理論，產(chǎn)生超導(dǎo)性的必要條件是材料中的電子必須配對(duì)，這樣配對(duì)的電子稱為庫(kù)柏對(duì)。庫(kù)柏對(duì)中的兩個(gè)電子自旋相反，所以總自旋為零，因而科學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)性與鐵磁性可能無(wú)法共存，材料中如果加入磁性元素（如鐵、鎳）會(huì)大大降低超導(dǎo)性。鐵基超導(dǎo)體雖然含有鐵元素且是產(chǎn)生超導(dǎo)的主體，但是鐵和其他元素（如砷、硒）形成鐵基平面后，已不再具有鐵磁性。超導(dǎo)體的發(fā)展前景1、利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體，應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等