氦的液化和超导电性的发现
2.超导材料
磁悬浮现象就是超 导体具有完全抗磁性的 证明。人们做过这样一 个实验，在一个浅平的 锡盘中，放入一个体积 很小磁性很强的永久磁 铁，然后把温度降低， 使锡出现超导性。这时 可以看到，小磁铁竟然 离开锡盘表面，飘然升 起，与锡盘保持一定距 离后，便悬空不动了。
产生这一现象的原因，是由于超导体的 完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超 导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的 浮力。进一步的研究表明：处于超导态的物 体，外加磁场之所以无法穿透它的内部，是 因为在超导体的表面感生一个无损耗的抗磁 超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消 了超导体内部的磁场。
3.2迈斯纳效应(完全抗磁性)
迈斯纳 (Meissner) 于 1933 年通过实验证明， 当金属在外磁场中冷却而从非超导态转变 为超导态时，体内原有的磁力线立即被推 出体外，磁感应强度恒等丁零，这种现象称 为迈斯纳效应。迈斯纳效应又叫完全抗磁 性。而且若对超导体施以强外磁场 (小于等 于Hc) ，体内亦将没有磁力线透过。也就是 说，超导体不仅是一个理想的导电体，而 且也是一个理想的抗磁体。现常用迈斯纳 效应这个重要性质来判别物质是否具有超 导性。
为了防止合金在高温下被氧化和排除气 体，以获得良好的加工性能和较纯净的合金， 需要在真空或惰性保护气氛中熔炼。先在电 子轰击炉中熔炼成初锭，作为真空电弧熔炼 的自耗电极。再经真空自耗熔炼成 Nb-Ti 合 金锭。有时为了得到均匀的 Nb-Ti 合金锭， 需经多次重熔。但是，从超导性来看，杂质 的存在有利于Jc的提高（作为强磁场超导合 金材料要求其Jc高）。一定含量的杂质，常 常是改善超导性能所必要的。所以未必重熔 次数愈多、纯度愈高愈好。
大家都知道，若将金属线圈放在磁场中，则线圈内将产生感应 电流，对于正常金属线圈来说，当磁场去掉后，线圈内电流很 快衰减为零，而对于超导线圈，情况却完全不同，图 1 是著名 的持续电流实验。将一超导线圈放在磁场中并冷却到临界温度 以下，突然撤去磁场，则在超导线圈中产生感生电流。
3-4 超导体材料与器件
结构的钡镧铜氧化物转变温度高达35K；日本东
京大学工学部37K；美籍华裔科学家朱经武40.2K；
1987年日本提高到43K、46K和53K。中国赵忠贤
获得了48.6K的锶镧铜氧系超导材料，发现70K有发生 赵忠贤 转变迹象。朱经武和吴茂昆98K。2月20日中国发现
③ 三元合金 为了改善Nb-Zr和Nb-Ti等二元合金性能，在此基础上
又发展了一系列具有很高临界电流的三元超导合金材料， 如Nb-Zr-Ti, Nb-Ti-Ta, Nb-Zr-Ta, Nb-Ti-Hf和V-Zr-Hf等，主 要用于制造磁流体发电机的大型磁体。Nb-Zr-Ti合金的临 界温度一般在10K附近，影响Nb-Zr-Ti合金超导性能的主 要因素有：合金成分、含氧量、加工度和热处理等。NbTi-Ta合金具有良好的加工性能，形变率可达99.9%。成分 对合金的超导性能影响很大，Nb-70Ti-5Ta合金的Tc=9.8K， Hc=12.8T。
将Nb或者V粉末混入Cu中，熔炼制成Cu-Nb、Cu-V合 金。拔丝加工制成线材，表面上涂敷Sn或者Ga，扩散处理， 可以制成具有不连续纤维状的Nb3Sn或V3Ga线材。
3.4.4 高温超导体材料 （1）氧化物超导体材料
第一代高温超导体材料：钇系，钇钡铜氧化物（YBa-Cu-O），Tc=90K；
第二代高温超导体材料：铋系，铋锶钙铜氧化物 （Bi-Sr-Ca-Cu-O），Tc=114~120K；
物中，用过渡族元素Fe，Ni，Co和Zn以及Ga，Al，Mg等 置换Cu后，会导致Tc不同程度的下降。
在Y系超导体材料中，除Y-123外，还有Y-124， Tc=80K和Y-247，Tc=40K超导体材料。Y-124与Y-123有类 似的晶体结构，不同之处在于Y-123的Cu-O单键被双层 Cu-O键所代替。Y-124的优点是氧成分分配比较稳定，当 对Y-124相的Y用部分Ca代替时，超导转变温度可增加到 90K。Y-247相的结构是Y-123和Y-124相的有序排列，转变 温度对氧含量有强烈的依赖关系。
超导技术及其发展历程
超导技术超导技术的主体是超导材料。
简而言之，超导材料就是没有电阻、或电阻极小的导电材料。
超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。
1911年荷兰物理学家Onnes发现汞(水银)在4.2k附近电阻突然下降为零，他把这种零电阻现象称为超导电性。
海克·卡末林·昂内斯海克·卡末林·昂内斯（Heike Onnes，1853年9月21日－1926年2月21日），荷兰物理学家，超导现象的发现者，低温物理学的奠基人。
1853年出生于荷兰的格罗宁根，1894年创建了莱顿大学低温物理实验室，建立了大型液化气工厂，1904年液化了氧气，两年后又液化了氢气，并在1908年7月10日首次液化了氦气，以-269 °C(4K)刷新了人造低温的新纪录。
1911年由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气，昂内斯被授予诺贝尔物理学奖。
1923年，昂内斯退休，1926年在莱顿逝世。
为纪念他，莱顿大学物理实验室1932年被命名为“卡末林·昂内斯实验室”。
汞的电阻突然消失时的温度称为转变温度或临界温度，常用Tc表示。
在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。
金属汞是超导体。
进一步研究发现元素周期表中共有26种金属具有超导电性，它们的转变温度Tc列于表5-6。
从表中可以看到，单个金属的超导转变温度都很低，没有应用价值。
因此，人们逐渐转向研究金属合金的超导电性。
表5-7列出一些超导合金的转变温度，其中Nb3Ge 的转变温度为23.2K，这在70年代算是最高转变温度超导体了。
当超导体显示导材料都是在极低温下才能进入超导态，假如没有低温技术发展作为后盾，就发现不了超导电性，无法设想超导材料。
这里又一次看到材料发展与科学技术互相促进的关系。
低温超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因此在应用上受到很大的限制。
人们迫切希望找到高温超导体，在徘徊了几十年后，终于在1986年有了突破。
超导材料简介
科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元 素研究所，以约翰· 尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超导 效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
第24页
合金超导体
• 组成元素都具有超导性
合金
Tc (K)
Nb3Sn
第17页
H
Hc
正常态 超导态
0
Tc
T
第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
N
Mixed T Tc
第18页
Hc1
B = 0,
S r
= 0 Meissner
第二类超导体的相图
混合态
Flux penetrates above the lower critical field Hc1 Superconductivity survives up to the upper critical field Hc2 Type II T<Tc 0<H<Hc1 T<Tc Hc1<H<Hc2
第30页
（5）汞超导家族
汞超导家族的化学通式为HgBa2Can-1CunO2n+2+x，n=1,2,3…。因 这个家族的晶格中一般地有多余的氧原子存在，所以在氧的下标上 有"+x"。这个家族的主要成员有HgBa2CuO4，HgBa2CaCu2O6+x和 HgBa2Ca2Cu3O8+x，即1201相、1212相和1223相，这三个相的转 变温度分别为85K，120K和133K。其中1223相中的133K是迄今为 止所发现的在常压下最高的超导临界转变温度。
氦的知识点总结
氦的知识点总结一、氦的基本性质1. 原子结构：氦的原子序数是2，原子结构为1s2，即氦的原子核周围有2个电子。
由于电子排布在K层，氦元素具有稳定的电子结构。
2. 物理性质：氦是一种惰性气体，室温下是无色、无味、无臭的气体。
它比空气轻，密度只有空气的1/7。
氦是一种极不活泼的气体，不易与其他物质发生化学反应，因此被称为“惰性气体”。
3. 熔点和沸点：氦的熔点为-272.2摄氏度，沸点为-268.9摄氏度，是在常温下存在的一种气体。
4. 导热性：氦具有很高的导热性，在低温下尤为显著，因此在低温实验和技术中有着重要的应用。
5. 融化热和汽化热：氦的融化热是0.0201千焦/克，汽化热为0.0829千焦/克，远小于其他惰性气体。
6. 超流性：氦在绝对零度以下可以表现出超流性，即在低温下流体的无粘滞特性，这种特性在科学研究和技术应用中有重要作用。
二、氦的来源和获取1. 自然界中的氦：氦在地球大气中占极少部分，常态下氦气含量约占气体总体积的5.2×10^-6，主要以氩含量高的气泡的形式存在于天然气中。
而地下的氦主要来自于地壳中的放射性物质衰变而产生。
2. 工业制备氦：工业上主要是通过液化空气、蒸馏空气或压缩空气以及氦和天然气混合气体的分馏和提纯来获取氦气。
三、氦的应用1. 氦气在氦气球中的应用：由于氦气的特性稳定、不易燃烧、密度小、不易与空气混合，因此广泛用于填充氦气球。
2. 氦气在低温实验中的应用：低温下，氦气的超流性和导热性使得其在低温实验中有着重要的应用价值，如在核磁共振、超导技术中。
3. 氦气在光谱分析中的应用：氦气在光谱分析中可以作为激发气体，通过放电激发或激光激发来产生激发光谱或拉曼光谱。
4. 氦气在太空航天中的应用：氦气可以作为推进剂在火箭、卫星、航天飞船中使用，作为保冷剂用在太空望远镜等设备中。
5. 氦气在医疗行业中的应用：氦气可用于氦氖激光、氦氖光源、呼吸困难患者的气道通畅治疗等。
超导简介
2. 超导体的临界磁场 Hc 当通到线圈的电流产生的磁场超过一定强度 时，超导体 会突然 就变成 正常导体 ，出现了电 阻。这种大到一定强度就破坏超导态的磁场值， 叫做 临界磁场， 用 Hc 表示。
问题1.是不是一旦超过临界磁 场，超导态就真的消失了？
第一類超導體(Type I)
Type I 超導體: 外加磁場一旦超過超導臨界磁場值，超導狀態便消失，讓所有 外加磁場穿過。
磁悬浮列车 具有低噪音、无污 染、安全舒适和高速高 效的特点。
由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料 已制成超导导线，比常规铜线运载电流大100倍。 1998 年7月，北京有色金属研究总院与兄弟单位 共同研制成我国第一根 1 米长的铋系高温超导直 流输电模型电缆，运载电流达到 1200 安 ，使我 国顺利成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。
2000 年 11月 26日北京有色金属研究总院宣
超导体的三个临界参量 1. 超导体的临界温度 Tc
在Байду номын сангаас定值的温度下，电阻突然变到零，或 者 说电阻完全消失 ，这种 状态 称为 超导态 ( superconducting state )， 而具有这种特性的物质就称为 超导体 ( superconductor ) 。
超导体在刚刚进入超导态的温度叫作 超导临 界温度 ( superconducting critical temperature )， 用 Tc 表示。
布，设在该院的超导材料研究中心研究成功 我国 第一根百米长的铋系高温超导带材 ，表明我国超 导材料研究从实验室迈向应用阶段 ，达到国际先 进水平。
此次研制成功的高温超导带材长 116 米，宽
3.6 毫米，厚为 0.28 毫米 ，以螺旋管方式缠绕， 用四引线法全长度测量，77 K 液态温度自场下临 临界电流达 12.7 安培。 高温超导带材达到 100 米以上就可进入生产
超导物理学的发展历程
超导物理学的发展历程超导物理学是研究在特定条件下材料电阻降为零的物理学科，是现代物理学的重要分支。
其发展历程可以追溯到1911年荷兰物理学家海克·卡末林和荷兰工程师海因·康纳斯发现汞在液态状态下电阻变得非常小的现象，从此超导物理学逐渐成为人们关注的热点话题。
1. 超导性现象初现在卡末林和康纳斯的实验中，随着温度的逐渐降低，汞的电阻开始下降，到达液态氦温度4.2K时，电阻降为零，这意味着在这个温度下，汞的电流可以在不受任何电阻的情况下流动，即表现出了超导性能。
这一现象引起了人们的广泛关注。
2. 超导物质不断发现随着对超导性质的进一步研究，人们开始探索更多的物质是否具有超导性质。
1933年，苏联物理学家A.A.阿布里科索夫和L.V.谢诺文发现了第一种非汞超导体——铅，随后又陆续发现了一系列具有超导性能的物质，如铝、铜氧化物等。
这些发现大大丰富了超导物理学的研究内容。
3. 超导现象的理论解释随着超导物质的不断发现，人们对超导性能的理论解释也日益完善。
1935年，英国物理学家约瑟夫·巴丁和其学生W. H.费诺曼提出了巴丁-费诺曼理论，称超导性质来源于电子在超导体中形成了“库伦配对”，使得电子对在超导体中可以自由移动，从而被阻碍了的电子在失去能量的情况下形成了电流，这就是超导物质的主要性质。
4. 超导技术的推广随着对超导物质的深入研究和理论解释，超导物理学开始在实际生产和应用中得到广泛应用。
20世纪60年代，超导材料被应用到了电磁谱仪、颗粒加速器和磁共振成像等领域。
1986年，苏联物理学家A. A.阿布里科索夫和英国物理学家C. T.胡里发现了高温超导体，这在技术上改变了超导物理学的发展方向，为其广泛应用提供了可能。
5. 超导物理学的新发展近年来，超导物理学在新型能源、高速铁路和计算机等领域又得到了新的发展。
超导原理被广泛应用于核聚变、磁悬浮列车和超级计算机等领域，为人类社会的可持续发展提供了技术保障。
高温超导实验
实验高Tc超导材料电阻—温度特性测量【目的要求】1．了解超导体的最基本特性以及判定超导态的基本方法；2．掌握用测量超导体电阻——温度关系测定转变温度的方法；3．了解获得液氦温区温度的基本方法。
【仪器用具】高Tc超导材料电阻—温度特性试验仪。
【原理】超导电性发现于1911年，荷兰科学家翁纳斯（K.Onnes）在实现了氦（4He）气液化之后不久，利用液氦（Lhe）所能达到的极低温条件，指导其学生(GillesHolst)进行金属在低温下电阻率的研究，发现在温度稍低于4.2K时水银（Hg）的电阻率突然下降到一个很小值。
后来有人估计，电阻率的下限为3.6×10-23Ω.cm，而迄今正常金属的最低电阻率大约为10-13Ω.cm。
与此相比，可以认为汞进入了电阻完全消失的新状态—超导态。
我们定义超导体开始失去电阻时的温度为超导转变温度或超导临界温度，通常用T C 表示。
一些金属（如Pb,TC=7.2K）、金属（NbTi, TC=11K）、金属间化合物（如A15结构的Nb3Ge, TC=23.2K）等上千种材料具有超导电性。
超导现象发现以后，实验和理论研究以及应用都有很大发展，但是临界温度的提高一直很缓慢。
1986年以前，经过75年的努力，临界温度只达到23.2K，这一记录保持了差不多12年。
此外，在1986年以前，超导现象的研究和应用主要依赖于液氦作为致冷剂。
由于氦气昂贵、液化氦的设备复杂，条件苛刻，加上4.2K的液氦温度是接近于绝对零度的极低温区等因素都大大限制了超导的应用。
为此，探索高临界温度超导材料成为人们多年来梦寐以求的目标。
1983年，瑞士科学家缪勒（K.A.M. üller）开始从事氧化物超导体的探索性研究。
他和他的合作者柏诺兹（J.Bednorz）于1986年开始在Ba-La-Cu-O系统中作实验。
他们是基于双极化子导致超导电性的考虑着手实验研究的，尽管这种理论并未被认定，但在探索中确实揭示了一条新的线索。
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氦的液化和超导电性的发现
发现的背景
1823年法拉第第一次观察到液化氯，其后各种气体的液化和更低温度的实现一直是实验物理学的重要课题。
但实验的规模始终不能满足需要。
1873年，范德瓦耳斯（Van der Waals）在他的博士论文“气态和液态的连续性”中，提出了包括气态和液态的“物态方程”，即范德瓦耳斯方程。
1877年，盖勒德（L.P.Caillettet）和毕克特（P.P.Pictet）分别在法国和瑞士同时实现了氧的液化。
1880年，范德瓦耳斯又提出了“对应态定律”，进一步得到物态方程的普遍形式。
在他的理论指导下，英国皇家研究所杜瓦的（J.Dewar）于1898年实现了氢的液化和固化。
1895年德国人林德（C.V.Linde）和英国人汉普逊（Ｗ.Hampson）利用焦耳－汤姆生效应（即节流膨胀效应）开始大规模地生产液氧和液氮。
著名的林德机成了低温技术的基本设备。
但是经过多年努力，用了许多办法都未能实现氦的液化。
人物介绍
卡末林-昂纳斯Heike Kamerlingh Onnes
1853-1926
荷兰莱顿大学低温物理学家
超导电性的发现者
1913年诺贝尔物理学奖
-因对低温下物质特性的研究，特别是这些
图12.1 卡末林-昂纳斯
研究导致了液氦的生产
1853年9月21日出生于荷兰格罗宁根一位砖窑主的家庭里。
1870年进入格罗宁根大学，第二年即获科学学士学位。
l878年通过考试获科学硕士学位。
1879年以论文“地球旋转的新证据”获博士学位。
1882年他被任命为莱顿大学的实验物理和气象学教授。
他在莱顿大学建立了低温实验室，二十世纪之初，莱顿低温实验室成了世界闻名的低温研究中心。
卡末林-昂纳斯三十岁成为阿姆斯特丹皇家科学院院士。
他是国际液化协会的创始人之一。
1926年2月21日卡末林-昂纳斯在莱顿逝世，享年73岁。
卡末林-昂纳斯的主要科学成就是全面研究了低温下物质特性的研究，这些研究导致了液氦的生产和超导电性的发现。
他很重视培养人才，为此创立了一所技工学校，让学生晚上学习，白天在实验室工作。
他培养的玻璃技师不但满足了本国的需要，还受聘到许多国家的物理实验室工作，为发展低温物理学和真空技术作出了贡献。
卡末林-昂纳斯还广招科技人员，包括来自国外的访问学者，集中到他的周围。
发现的过程
卡末林-昂纳斯以极大的精力改善了实验室装备，使之由初具规模发展到后来居上。
莱顿低温实验室于1894年建立了能大量生产液氢和其它气体（包括氦气）的工厂和一栋规模甚大的实验楼馆。
他以工业规模建立实验室，这在历史上还是第一次。
就是从这里开始，物理学由手工业方式走向现代的大规模水平。
图12.2是卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图。
图12.2 卡末林-昂纳斯的低温实验装置原理图
1908年7月10日,卡末林-昂纳斯和他的同事在精心准备之后，集体攻关，终于使氦液化。
它标志着20世纪“大科学”首次登台，初战告捷。
卡末林-昂纳斯的准备工作极其细致，他事先对氦的液化温度作了理论估算，预计是在5-6K。
氦气大量储备，有充足的供应。
液氢是自制的。
在实验前一天，制备了75升液态空气备用。
凌晨5时许，20升液态氢已准备好，逐渐灌入氦液化器中。
用液氢预冷要极端小心，如果有很微量的空气混入系统就会前功尽弃。
下午一时半，全部灌进氦液化器，开始令氦气循环。
液化器中心的恒温器开始进入从未达到过的低温，这个温度只有靠氦气温度计指示。
然而，很长时间看不到指示器有任何变化。
人们调节压力、改变膨胀活塞，用各种可能采取的措施促进液化器的工
作，温度计都似动非动，很难作出判断。
这时液氢已近告罄，仍然没有观察到液氦的迹象。
晚7点半，眼看实验要以失败告终，有一位闻讯前来观看的教授向卡末林-昂纳斯建议说，会不会是氦温度计本身的氦气也液化了，是不是可以从下面照亮容器，看看究竟如何？昂纳斯茅塞顿开，立即照办。
结果使他喜出望外，原来中心恒温器中几乎充满了液体，光的反射使人们看到了液面。
这次卡末林-昂纳斯共获得了60cc的液氦，达到了4.3K的低温。
他们又经过多次实验，第二年达到1.38-1.04K。
发现的突破点
卡末林－昂纳斯为了试验最纯的金属，选用了水银，却偶然地发现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象--超导电性。
然而，对于卡末林-昂纳斯来说，这一发现并非完全偶然，因为第一，他首先实现了氦的液化，而且直到20年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温实验室拥有大规模液氢生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；第三，他明确地认定要探索低温下物质的各种特性，特别是电阻的变化。
而正是从各种金属的电阻随温度变化的关系打开了通向超导电性的道路。
所以超导电性的发现对于卡末林-昂纳斯来说，又是必然的。
对科学史的影响
超导电性具有重要的应用价值，可以利用在临界温度附近电阻率随温度快速变化的规律制成超导温度计，其灵敏度极高；可以利用电阻消失的效应传输强大的电流，制造超导磁体、超导加速器和超导电机等；可以利用超导体的磁悬浮效应可制造无摩擦轴承和悬浮列车等；超导电性的约瑟夫森效应则已广泛用于基本常量、电压和磁场的测定、微波和红外线的探测等等电子学领域，取得了良好的效益。
趣闻轶事
莱顿低温实验室的经验
1882年，卡末林-昂纳斯担任莱顿大学实验物理学教授。
他在就职时发表了著名的就职演说，题为“定量测量在物理学中的重要性”。
他说道：“物理学能创造获得新的物质的手段，并且对我们的实验哲学思维有着巨大的影响，但只有当物理学通过测量和实验去夺取新的疆土时，它才会在我们今天社会的思维和工作中占有重要的地位”，“我喜欢把‘通过测量获得知识’这个座右铭贴在每个物理实验室的大门上”。
他以这种精神在实验物理学的研究中取得了卓越的成就。
他建立了低温实验室，使氦的温度降低到0.9K以下，结果获得了前所未有的最接近于绝对零度的低温。
正是这些低温研究使卡末林-昂纳斯发现了超导电性。
后来他的学生凯松（W.H.Keesom）和德哈斯（W．J．de Haas）在该实验室继续实验，得到了更接近于绝对零度的低温。
莱顿低温实验室赢得了日益重大的国际声誉。
有许多外国科学家曾来到莱顿大学，在这个实验室短期或较长期地工作。
他们不仅有卡末林-昂纳斯的合作者，还有其他来自世界各地的学者和技师，研究或学习的主要课题是低温学。
实
验室的其他研究项目包括热力学，放射性规律，光学及电磁现象的观察，例如荧光和磷光现象，在磁场中偏振面的转动，磁场中晶体的吸收光谱，以及霍尔效应，介电常数，特别是金属的电阻。
从1901年起就创办的、培训仪器制造工人和玻璃吹制工的学校，也为卡末林－昂纳斯和他的实验室赢得了声誉。
二十世纪之初，莱顿低温实验室成了世界闻名的低温研究中心。