超導材料-第一節(jié).ppt

1、第四章超導材料 第一節(jié)：超導材料的基本性質(zhì)和特征 第二節(jié)：超導電性理論基礎和微觀機制 第三節(jié)：約瑟夫森效應 第四節(jié)：超導材料的種類及性能 第五節(jié)：超導材料的應用,1,第一節(jié)：超導材料的基本性質(zhì)和特征,什么是超導材料？ 日常生活中的超導材料？,2,自從世界上以電力作為主要動力以來，就遇到兩個令人頭痛的問題： 、輸運過程： 、電力儲存：,3,一、超導材料的發(fā)展歷程 1908年 液氦 1911年 Hg零電阻,當時，荷蘭物理學家昂尼斯為檢驗金屬電阻與溫度之間的關系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗。 將水銀冷卻到-40時，亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細絲，并繼續(xù)降低溫度，同時測量不同

2、溫度下固體水銀的電阻，當溫度降低列4 K時，水銀的電阻突然變成了零。,這一發(fā)現(xiàn)轟動了世界的物理學界，后來科學家把這個現(xiàn)象叫超導現(xiàn)象，把電阻等于零的材料稱超導材料，而把出現(xiàn)超導現(xiàn)象的溫度稱作超導材料的“臨界溫度”。,4,199l年，美國和日本的科學家又發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子-60在摻鉀、銫、釹等元素后，也有超導性。 科學家預料，球狀碳分子-60摻雜金屬后，有可能在室溫下出現(xiàn)超導現(xiàn)象，那時，超導材料就有可能像半導體材料一樣，在世界引起一場工業(yè)和技術革命。,5,昂尼斯和許多科學家后來又發(fā)現(xiàn)了28種超導元素和8000多種超導化合物材料。但出現(xiàn)超導現(xiàn)象的臨界溫度大多在接近絕對零度的極低溫，沒有什么經(jīng)濟價值，因

3、為制造這種極低的溫度，本身就很花錢而又很困難。,6,為了尋找臨界溫度比較高的沒有電阻的材料，世界上無數(shù)科學家奮斗了近60年，也沒有取得什么進展。 到1973年，鈮鍺合金 Tc23K。 1986年，釔鋇銅氧陶瓷氧化物 Tc43K 1987年，Tc78.5K，98K美籍華人朱經(jīng)武，中國趙忠賢在1987年相繼發(fā)現(xiàn)了在78.5 K 和98 K時出現(xiàn)超導現(xiàn)象的釔鋇銅氧系高溫超導材料。 1988年，鉍鍶鈣銅氧系 Tc110K， 朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)的鉈鋇鈣銅氧系125K,7,1995年美國國立洛斯阿拉莫斯實驗室的科學家已經(jīng)把高溫超導體制成柔韌的細帶狀，由于沒有電阻，其導電性是銅絲的1200多倍。 1996年，日本電

4、氣公司制出長一千米的高溫超導線材，電流密度達到6000A/cm2，這種線材已達到了實用化的水平。,8,美國加州大學戴維斯分校超導材料科學家皮克特的最新研究成果向人們揭示，室溫超導材料的問世和廣泛應用也許為期不遠，科學家有望找到在極其炎熱的夏季溫度(甚至超過100)下依然可以有效工作的室溫超導材料。,9,高溫超導材料的不斷問世，為超導材料從實驗室走向應用鋪平了道路。然而，尋找室溫下的超導材料才是科學家最大的夢想，因為室溫超導材料極可能引發(fā)一場全球性的科技革命和工業(yè)革命。迄今為止，科學界公認的最高超導臨界溫度是138K，但科學家依然沒有找到圓滿的理論解釋。,盡管如此，超導材料在液氮以上溫度工作，可

5、以說是20世紀內(nèi)科學技術上的重大突破，也是超導技術發(fā)展史上的一個新的里程碑。至今，對高溫超導材料的研究仍然方興未艾。,10,二、超導材料的兩個基本特性,1零電阻效應 2超導體的完全抗磁性（邁斯納效應）,11,1零電阻效應 當溫度T下降至某一數(shù)值以下時，超導體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導體的零電阻效應，也稱為超導電性。 下圖是汞在液氦溫度附近電阻的變化行為。,12,汞在液氦溫度附近電阻的變化行為,越均勻純凈的樣品超導轉變時的電阻陡降越尖銳。,13,2超導體的完全抗磁性（邁斯納效應） 指超導體處于外界磁場中，磁力線無法穿透，超導體內(nèi)的磁通量為零。,14,超導體內(nèi)磁感應強度B總是等于零， B=0(

6、1+ )H=0。 04*10-7Herry/m 即超導電狀態(tài)下的物質(zhì)的磁化率為=-1。,超導體的完全抗磁性如下圖所示：,15,液氮環(huán)境下的超導實驗,超導體會排斥磁場，這使得小的永久磁鐵能夠漂浮在大塊的高溫超導體上。,16,日本新干線,17,18,2002年月12月底，中、德兩國科技合作，上海磁浮列車示范運行順利實現(xiàn)了首次試運行，列車懸浮在軌道上方，和軌道之間沒有直接接觸，運行阻力大大減小，因此磁懸浮列車的最大時速可以達到500公里。 速度快：超導磁浮可達500至600公里/小時。 能耗低：能耗僅為飛機的1/3至1/2，比汽車小30%。 維修少：磁浮列車沒有車輪，其工作屬于無磨損運行，維修主要集

7、中在電子技術方面，不需大量體力勞動。 污染?。捍鸥×熊嚥捎秒娏︱寗樱恍枞加?，無有害氣體排放，環(huán)境污染小。,19,超導體的邁斯納效應的意義： 否定了把超導體看作理想導體，,對于導體，即使是理想狀態(tài)，電阻趨于零，而導體內(nèi)部的磁通密度取決于R 0時的磁通狀態(tài)。 對超導體，在超導狀態(tài)下，內(nèi)部磁通密度總是等于零。,僅從超導體的零電阻現(xiàn)象出發(fā)，得不到邁斯納效應。 同樣，用邁斯納效應也不能描述零電阻現(xiàn)象。,20,邁斯納效應是超導體的又一個基本性質(zhì)。 完全抗磁性就像一個鐵面無私的法官，許多令人振奮的發(fā)現(xiàn)，許多激動人心的電阻反常，許多所謂的室溫超導體，都因為缺乏完全抗磁性的支持而被判了死刑。 因此，只有同時具

8、有零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性的材料才有希望成為真正的超導體，兩者缺一不可。,21,因此，邁斯納效應和零電阻性質(zhì)是超導態(tài)的兩個獨立又相互聯(lián)系的基本屬性，單純的零電阻并不能保證邁斯納效應的存在，但零電阻又是邁斯納效應的必要條件。,衡量一種材料是否具有超導電性必須看是否同時具有零電阻和邁斯納效應。,22,邁斯納效應產(chǎn)生的原因 當超導體處于超導態(tài)時，在磁場的作用下，表面產(chǎn)生無損耗感應電流，這個電流產(chǎn)生的磁場與外加磁場大小相等，方向相反，因而總合成磁場為零。 即，無損耗感應電流對外加磁場起著屏蔽的作用，因此又稱為抗磁性屏蔽電流。,23,根據(jù)上述超導材料的兩個基本特征，可以看出： 超導體是指某種物質(zhì)冷卻到某一

9、溫度時電阻突然變?yōu)榱?，同時物質(zhì)內(nèi)部失去磁通成為完全抗磁性的物質(zhì)。,24,三、超導體的三個臨界參數(shù),臨界溫度 Tc 臨界磁場 Hc 臨界電流 Ic,25,發(fā)現(xiàn)超導電性后，翁奈斯即著手用超導體來繞制強磁體，但出乎他的意料，超導體在通上不大的電流后，超導電性就被破壞了，即超導體具有臨界電流Ic。 此后，又發(fā)現(xiàn)了超導體的臨界磁場Hc。 Ic和Hc也是超導體的基本特性，是實現(xiàn)超導體強電應用的必要條件。,26, 臨界溫度Tc 超導體從常導態(tài)（有電阻）轉變?yōu)槌瑢B(tài)（電阻消失）的溫度，稱為臨界溫度，以Tc表示。目前已知的銠的Tc最低，為0.0002K 臨界溫度是在外部磁場、電流、應力和輻射等條件維持足夠低時，

10、電阻突然變?yōu)榱銜r的溫度。（可以發(fā)生臨界溫度的條件）,27,嚴格的說，由于材料的不純，這種零電阻轉變前后，跨越了一個溫區(qū)。從而引入下面四個區(qū)域的溫度參數(shù)： 1：零電阻溫度Tc即在理論材料電阻R0時的溫度。 2：起始轉變溫度Tc（on set） 即材料開始偏離常導態(tài)線性關系時的溫度。3:轉變溫度寬度 Tc 即取（1090）Rn（Rn為起始轉變時，材料的電阻值）對應的溫度區(qū)域寬度。 Tc 越窄，說明材料的品質(zhì)越好。4：中間臨界溫度Tc（mid） 即取1/2Rn對應的溫度值對一般常規(guī)超導體，這一溫度值有時可視為臨界溫度。,28,1：零電阻溫度Tc即在理論材料電阻R0時的溫度。,2：起始轉變溫度 Tc（

11、on set） 即材料開始偏離常導態(tài)線性關系時的溫度。,3:轉變溫度寬度 Tc 即?。?090）Rn（Rn為起始轉變時，材料的電阻值）對應的溫度區(qū)域寬度。 Tc 越窄，說明材料的品質(zhì)越好。,4：中間臨界溫度Tc（mid） 即取1/2Rn對應的溫度值對一般常規(guī)超導體，這一溫度值有時可視為臨界溫度,29, 臨界磁場Hc 實驗發(fā)現(xiàn)，超導電性可以被外加磁場所破壞，對于溫度為T(TTc)的超導體，當外磁場超過某一數(shù)值Hc的時候，超導電性就被破壞了，使它由超導態(tài)轉變?yōu)槌B(tài), 電阻重新恢復。,30,這種能夠破壞超導所需的最小磁場強度，叫做臨界磁場Hc。Hc隨溫度的變化一般可以近似地表示為拋物線關系：,式中

12、，Hc是絕對零度時的臨界磁場。,TTc,可以看出在臨界溫度Tc時，臨界磁場為零,31,設 H/Hc0=h, T/Tc=t (H,T為單位) 上式變?yōu)椋篽(t)=1-t2,32,（）臨界電流Ic 實驗表明，在不加磁場的情況下，超導體中通過足夠強的電流也會破壞超導電性，導致破壞超導電性所需要的最小極限電流，也就是超導態(tài)允許流動的最大電流，稱作臨界電流Ic。,33,式中，c是絕對零度時的臨界電流。,通過樣品的電流在樣品表面產(chǎn)生的磁場達到臨界磁場Hc時，超導電性就被破壞這個電流的大小就是樣品的臨界電流。 臨界電流隨溫度變化的關系有,TTc,臨界溫度Tc時，臨界電流為零,34,臨界溫度（Tc）、臨界電流

13、（Ic ）和臨界磁場（Hc ）是“約束”超導現(xiàn)象的三大臨界條件。 三者具有明顯的相關性，要使超導體處于超導狀態(tài)，必須將它置了三個臨界值Tc 、 Ic和Hc之下三者缺一不可。任何一個條件遭到破壞，超導狀態(tài)隨即消失。,35,超導電性的T-I-H臨界面,其只有當超導體同時處于三個臨界條件以內(nèi)，即處于如圖所示的三角錐形曲面內(nèi)側，才具有超導電性。,Ic,Tc,Hc,I,T,H,Tc,Ic,Hc臨界面,36,超導材料基本物理特性： 臨界溫度Tc、臨界磁場Hc和臨界電流Ic三個臨界值。超導材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時才顯示超導性，所以臨界值越高，實用性就強，利用價值就越高。,37,38,四、兩類超導體

14、的基本特征,超導體按磁化特性可以分為二類 第一類超導體的主要特性是，在磁場H到達Hc臨界磁場之前，具有完全的導電性和可逆的邁斯納效應。 其特征是由正常態(tài)過渡到超導態(tài)時沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。 HHc時完全抗磁性；HHc時，超導態(tài)轉為常導態(tài),39,第I類超導體主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等 ，該類超導體的溶點較低、質(zhì)地較軟，亦被稱作軟超導體。第I類超導體由于其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值。,40,(二)第二類超導體,這類超導體的主要特征是有兩個臨界磁場，即下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2， HHc1:零電阻,完全抗磁性,與第一類超導體一樣 Hc1HHc2: 磁場透入深度增大。仍然具有零電阻，但不具有完全抗磁性。稱為混合態(tài)。 直到H Hc2 ，磁場完全透入超導體內(nèi)，使其回復到具有正常電阻的常導態(tài)。,41,42,第二類超導體和第一類超導體的區(qū)別主要在于： 第