材料的超導(dǎo)電性

材料的超導(dǎo)電性20114620105王娟材料的超導(dǎo)電性

目錄定義特性性能指標(biāo)科學(xué)研究應(yīng)用一.超導(dǎo)電性的定義

什么是材料的超導(dǎo)電性呢？ 材料在一定的低溫下突然失去電阻的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。 當(dāng)超導(dǎo)體被冷卻到臨界溫度之下時(shí)，表現(xiàn)出零電阻并且抵御磁場(chǎng)穿過(guò)。溫度高于臨界，又回到常態(tài)。二.超導(dǎo)體的特性零電阻特性抗磁性同位素效應(yīng)1.零電阻RealityIdentityCreativity

超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。2.抗磁性

超導(dǎo)體的另一個(gè)特性是完全抗磁性，即處于超導(dǎo)狀態(tài)的材料，磁感應(yīng)強(qiáng)度B始終為零，也稱邁斯納（Melssner)效應(yīng)。因此，超導(dǎo)體具有屏蔽磁場(chǎng)和排除磁通的性能。3.同位素效應(yīng)

超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。

例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開(kāi)，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開(kāi)。三.超導(dǎo)體的三個(gè)性能指標(biāo)2.臨界磁場(chǎng)1.臨界溫度200320043.臨界電流（臨界電流密度）1.臨界溫度-ThemeGalleryisaDesignDigitalContent&ContentsmalldevelopedbyGuildDesignInc.

外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測(cè)得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。2.臨界磁場(chǎng)

使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)。3.臨界電流和臨臨界電流度密ClicktoaddTitleClicktoaddTitle

通過(guò)超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。臨界電流I一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。

超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用條件，尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭物理學(xué)家H.開(kāi)默林－昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性起，直到1986年物理學(xué)家K.A.米勒和聯(lián)邦德國(guó)物理學(xué)家J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將Tc提高到35K。之后，新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。四.超導(dǎo)體的分類合金材料超導(dǎo)元素超導(dǎo)化合物超導(dǎo)材料按其化學(xué)成分可分為：1.超導(dǎo)元素

在常壓下有28種元素具超導(dǎo)電性，其中鈮（Nb）的Tc最高，為9.26K。電工中實(shí)際應(yīng)用的主要是鈮和鉛（Pb，Tc=7.201K），已用于制造超導(dǎo)交流電力電纜、高Q值諧振腔等。2.合金超導(dǎo)材料

超導(dǎo)元素加入某些其他元素作合金成分，可以使超導(dǎo)材料的全部性能提高。如最先應(yīng)用的鈮鋯合金（Nb-75Zr），其Tc為10.8K，Hc為8.7特。

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繼后發(fā)展了鈮鈦合金，雖然Tc稍低了些，但Hc高得多，在給定磁場(chǎng)能承載更大電流。其性能是Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc＝11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特（4.2K）。目前鈮鈦合金是用于7～8特磁場(chǎng)下的主要超導(dǎo)磁體材料。

鈮鈦合金再加入鉭的三元合金，性能進(jìn)一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc＝9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

超導(dǎo)元素與其他元素化合常有很好的超導(dǎo)性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超導(dǎo)化合物還有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。3.超導(dǎo)化合物 例如：超導(dǎo)陶瓷：20世紀(jì)80年代初，米勒和貝德諾爾茨開(kāi)始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超導(dǎo)電性. 中國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)科學(xué)家在鋇－釔－銅氧化物中發(fā)現(xiàn)Tc處于液氮溫區(qū)有超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導(dǎo)材料。TitleinhereTitleinhere主要研究混合態(tài)區(qū)域的磁通線運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，不可逆性質(zhì)、起因及其與磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系，臨界電流密度與磁場(chǎng)和溫度的依賴關(guān)系及各向異性。五.超導(dǎo)電性的科學(xué)研究非常規(guī)超導(dǎo)體磁通動(dòng)力學(xué)和超導(dǎo)機(jī)理

超導(dǎo)機(jī)理研究側(cè)重于研究正常態(tài)在強(qiáng)磁場(chǎng)下的磁阻、霍爾效應(yīng)、漲落效應(yīng)、費(fèi)米面的性質(zhì)以及T<Tc時(shí)用強(qiáng)磁場(chǎng)破壞超導(dǎo)達(dá)到正常態(tài)時(shí)的輸運(yùn)性質(zhì)等。

對(duì)有望表現(xiàn)出高溫超導(dǎo)電性的體系象有機(jī)超導(dǎo)體等以及在強(qiáng)電方面具有廣闊應(yīng)用前景的低溫超導(dǎo)體等，也將開(kāi)展其在強(qiáng)磁場(chǎng)下的性質(zhì)研究。

六.超導(dǎo)體的應(yīng)用20042006

中國(guó)北京大學(xué)成功地用液氮進(jìn)行超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)。美國(guó)華裔科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)在氧化物超導(dǎo)材料中有轉(zhuǎn)變溫度為240K的超導(dǎo)跡象。鹿兒島大學(xué)工學(xué)部發(fā)現(xiàn)由鑭、鍶、銅、氧組成的陶瓷材料在14℃溫度下存在超導(dǎo)跡象。

高溫超導(dǎo)體的巨大突破，以液態(tài)氮代替液態(tài)氦作超導(dǎo)制冷劑獲得超導(dǎo)體，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用。氮是空氣的主要成分，液氮制冷機(jī)的效率比液氦至少高10倍，所以液氮的價(jià)格實(shí)際僅相當(dāng)于液氦的1/100。

液氮制冷設(shè)備簡(jiǎn)單，因此，現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體雖然還必須用液氮冷卻，但卻被認(rèn)為是20世紀(jì)科學(xué)上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。

超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問(wèn)題（例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問(wèn)題。）超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：

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；可制作電力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá)10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)