3.3 超导材料解析
超导材料概念
超导材料概念超导材料是指在特定条件下，电阻突然降为零的材料。
这种神奇的现象在科学研究和工程应用中具有广泛的应用前景。
超导材料的发现和研究是近代物理学的一个重要成果，也是材料科学和工程学领域的一个热点。
本文将从超导材料的基本概念、发现历程、物理机制、应用前景等方面进行详细介绍和分析。
一、超导材料的基本概念超导材料是指在低温、高压、强磁场等条件下，电阻突然降为零的材料。
这种现象是在1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现的。
他在将汞冷却到近绝对零度时，发现汞的电阻突然降为零。
这种现象被称为超导现象。
在随后的研究中，人们发现不仅是汞，其他金属、合金和化合物也具有超导性。
目前已经发现的超导材料种类很多，包括铜氧化物、铁基超导体、镁二硼等。
超导材料具有独特的物理性质，如零电阻、零磁场、激发态等。
这些性质使得超导材料在电力输送、电子学、磁学、量子计算等领域具有广泛应用前景。
例如，超导电缆可以大大提高电力输送效率，减少能源浪费；超导磁体可以产生极强的磁场，用于医学成像、磁悬浮列车等领域；超导量子比特可以用于量子计算，实现超高速计算等。
二、超导材料的发现历程超导材料的发现历程可以追溯到19世纪末期。
当时，人们已经知道了电阻的存在和电流的磁效应。
在1895年，荷兰物理学家洛伦兹提出了电动力学方程，揭示了电流和磁场之间的关系。
这为超导现象的发现奠定了理论基础。
1908年，英国物理学家奥本海默首次提出了“超导”这个概念，指的是在某些条件下，电阻可能会降为零。
随后，荷兰物理学家卡末林在1911年通过实验证实了这一理论。
他将汞冷却到4.2K 以下，发现汞的电阻突然降为零，而且磁场也会被完全排斥，这就是超导现象。
这个发现引起了广泛的关注和研究。
在随后的几十年里，人们陆续发现了铝、铅、锡等金属和合金也具有超导性。
然而，这些材料只能在极低温度下才能表现出超导性，限制了其实际应用。
直到1986年，美国IBM研究团队发现了第一种高温超导体——氧化铜。
超导材料是什么
超导材料是什么超导材料是指在低温下具有零电阻和迈斯纳效应的一类特殊材料。
超导材料在电流通过时能够完全消除电阻，使电流能够无损耗地流过，这一特性被称为超导性。
这使超导材料在电力输送、能源存储、磁共振成像等领域具有广泛的应用前景。
超导材料最早于1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现。
基于铅的材料是最早被发现具有超导性的材料。
然而，这类超导材料需要在非常低的温度下（接近绝对零度）才能展现出超导特性，限制了其实际应用的范围。
直到1986年，德国物理学家J·G·鲍尔汤和瑞士物理学家K·A·穆勒在氧化铜材料中发现了高温超导现象，即超导转变温度高于液氮沸点77K，使超导材料的实际应用前景大大扩展。
随后，人们陆续发现了多种高温超导材料，如铜氧化物、铁基超导体等。
超导材料主要具有以下特点：1. 零电阻：在超导状态下，电阻消失，电流可无损耗地通过。
这种特性使超导材料在电能输送领域有巨大应用潜力，能够显著减少能源损耗。
2. 迈斯纳效应：超导体中的电流不仅可以无损耗地流过，还能形成与电流方向垂直的磁场。
这一现象被称为迈斯纳效应，可用于磁体制造、磁共振成像等领域。
3. 超导转变温度：超导材料在一定的温度下会由非超导态转变为超导态。
低温超导体的转变温度通常较低，而高温超导体的转变温度可以接近或超过液氮沸点，更易于实际应用。
4. 磁场限制：在外加磁场作用下，超导材料的超导特性会受到限制。
不同材料对磁场的限制程度不同，这也对其应用领域产生了影响。
超导材料的研究和应用存在一些挑战。
其中最主要的是超导材料通常需要在极低的温度下才能展现出超导性，这对设备和工艺提出了要求。
此外，高温超导体的机制和性质仍然不完全清楚，对其进行深入研究仍然是一个重要课题。
然而，随着超导材料的不断研究和发展，人们对超导技术的应用前景充满信心。
超导磁体已广泛应用于核磁共振成像、加速器、磁悬浮交通等领域。
超导输电技术也在快速发展，预计超导材料将在未来成为电力输送和能源存储的重要组成部分。
超导材料的结构与特性分析
超导材料的结构与特性分析超导材料是指在低温下电阻为零的材料。
在超导体中，电子会以无阻力的方式流动，因此电流可以在其中流动无限长的时间。
这使超导材料在许多领域中具有重要应用，例如在MRI医疗成像和在电力输送中节省能源。
本文将介绍超导材料的结构与特性，帮助读者了解这种材料的基本原理和应用。
1. 超导材料的结构超导材料的结构可以分为两类：金属超导体和氧化物超导体。
1.1 金属超导体金属超导体是由固态金属制成的。
这种材料在超过临界温度时表现出金属性质，而在低于临界温度时表现出超导性质。
金属超导体的晶体结构类似于钻石结构，其中原子按照一定的规则排列。
金属超导体的临界温度通常较低，一般在个位数经ˍơ。
1.2 氧化物超导体氧化物超导体是由氧化物构成的复杂结构材料。
这种材料通常具有复杂的晶体结构，由于原子之间的相互作用而表现出超导性质。
例如，一种氧化物超导体是由铜、氧和铁组成的，其晶体结构非常复杂，并且原子之间形成了许多不同的结构。
氧化物超导体的临界温度通常较高，可以达到数十开尔文。
2. 超导材料的特性超导材料具有许多独特的特性，这些特性是当今科学和工程中广泛应用超导材料的重要原因之一。
以下是超导材料的一些主要特性。
2.1 零电阻超导材料不会在流动电流时损失能量，即电阻为零。
这意味着电流可以在其中流动无限长的时间，因此超导材料被广泛用于需要高电流密度的应用，例如电动汽车和磁共振成像。
2.2 磁通排斥超导材料对磁场表现出强烈的反抗力。
当材料降至超导状态时，它对磁场形成了一种称为磁流体的排斥力，这意味着磁通不能穿透材料。
这种特性使超导材料适用于制造高磁场强度的磁体，例如MRI扫描器和核磁共振仪。
2.3 超导泄漏材料的超导状态不是永久的，当磁场密度超过材料能承受的临界值时，它将失去超导性。
这种现象称为超导泄漏，它限制了超导材料在强磁场应用中的使用。
2.4 临界温度超导材料的临界温度是指材料必须降至的温度，以便表现出超导性质。
材料化学：超导材料和超导现象
4、超导材料的种类
按成分可将超导材料分为元素超导体、合金和化合 物超导体，有机高分子超导体三类。除碱金属、碱土金 属、铁磁金属、贵金属外几乎全部金属元素都具有超导 性。合金和化合物超导体包括二元、三元和多元的合金 及化合物。组成可以是全为超导元素，也可以部分为超 导元素，部分为非超导元素。有机高分子超导体主要是 非碳高分子(SN)X。
C.J. Gorter及H. B. Casimir提出二流體模型解釋超導現象 ，說明超導體內的電子分超導電子和常超導電子兩種。
F. London及H. London由二流體模式提出所謂London model， 解釋梅氏效應，定義穿透深度 (penetration depth)為超導體 的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深 度範圍內，磁力線密度呈現指數衰減。
迈斯纳效应，不管过渡到超导态的途径如何，只要 T<TC,超导体内的磁感应强度B总是为零，即具有 完全抗磁性。产生迈斯纳效应原因是产生抗磁电流， 抗磁电流的磁场总是与外磁场大小相等方向相反。 抗磁电流也叫屏蔽电流，是一种持久电流。
观察迈斯纳效应的磁悬浮试验
在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于 锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘 然升起，升至一定距离后，便悬空不动 了，这是由于锡盘处于超导态时，感应 出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了 排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小， 当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时， 就悬浮不动了。
Discovery of High Temperature Superconductors (HTS) 高温超导 发现的历史
Could it be you?
HTS (still ~ -150-200℃)
Air = 78% N2
1987朱經武(C.W.Chu),吳茂昆(M.K.Wu) discovered YBaCuO with Tc > 77K
超导材料的性质及应用
超导材料的性质及应用超导材料是指在特定条件下，电阻为零的材料。
超导材料最初在1911年被发现，这个发现被看做电子运输的一个新分支。
在那之后的一百多年中，人们对超导材料的性质和应用进行了深入的研究。
现在，超导材料的应用领域已经相当广泛，包括在军事、医学和科学领域的各种应用。
超导现象是指在超导材料的温度达到一定程度（依赖于材料）时，它的电阻几乎降到了零，并且它的电导变得很高。
这个现象似乎与材料的化学成分、结晶类型和形态有关，但研究人员对此还没有完全理解。
超导材料有很多独特的性质。
首先是它们的超导电性。
当超导材料的温度降低到超导转变温度以下，它的电阻会降到零，同时，它的电流比正常情况下传输的电流更强。
这意味着超导材料可以用来传输高电流，而且不会损失能量。
其次是超导材料的磁性。
当超导材料处于超导状态时，它可以完全吸收磁场。
这意味着超导材料可以用来制造超强的永磁体，而且它们对电磁脉冲等干扰也比较抵抗。
超导材料的磁性使得它们在医学设备、电力系统和计算机硬盘等领域得到广泛应用。
超导材料的第三个独特性质是热电子性能。
研究表明，超导材料的电子有较高的能量密度，因此可以在高速运动状态下传输和处理电子信息。
这些属性使得超导材料在高速计算和通信中得到了广泛应用。
超导材料在各种应用领域中得到了广泛应用。
医学行业利用超导磁性侦测技术来制造MRI（核磁共振）扫描仪，这些仪器能够高度诊断人体的内部结构。
除了医学领域之外，超导材料也在电力传输和计算机硬盘等领域被广泛使用。
此外，超导材料还可以在飞行器上用作裸露的导电材料，因为它们不会在高强度电磁脉冲中受到损害。
总之，超导材料的性质和应用广泛。
虽然我们对它们的工作原理尚不完全理解，但它们已经在许多领域中发挥了巨大作用。
未来，随着对这些材料研究的不断深化，我们有理由相信它们的应用会不断地得到扩展和改进。
超导材料的研究与应用
超导材料的研究与应用超导材料是指在低温条件下表现出电阻为零的物质，具有极高的电导率和磁通排斥性能。
超导材料的研究和应用一直是物理学和材料科学的热点领域之一。
本文将介绍超导材料的基本原理、研究方法和应用情况。
一、超导材料的基本原理超导材料的基本原理可从两个方面来解释，即电子配对和电子与晶格的相互作用。
首先是电子配对。
根据国际能源机构的定义，超导性是指在临界温度以下，电子能够按照某种机制形成电子对。
这些电子对中的电子以库珀对的方式配对，通过与晶格的振动相互作用来克服库伦排斥力，从而实现电子的整体流动，即形成超导态。
其次是电子与晶格的相互作用。
晶格振动通过电子与晶格的相互作用来提供电子之间的吸引力。
当温度降低时，晶格振动减小，电子与晶格的相互作用增强，从而促进电子配对的形成。
二、超导材料的研究方法在超导材料的研究过程中，科学家采用了多种方法和技术来进行实验和分析。
以下是一些常用的研究方法：1. 磁化率测量：通过测量材料的磁化率，可以确定其超导转变温度。
当温度低于临界温度，材料的磁化率会显著变化。
2. 电阻测量：电阻是判断材料是否超导的重要参数。
通过测量材料的电阻随温度的变化情况，可以确定超导转变温度和超导态的性质。
3. X射线衍射：通过研究超导材料的晶体结构，可以了解其晶格的变化和电子与晶格的相互作用。
4. 超导磁体实验：利用超导材料的超导性能可以制造强磁场。
科学家可以设计和制造超导磁体，并通过对其性能的研究来探索超导材料的物理性质。
三、超导材料的应用超导材料在多个领域都有广泛的应用，下面列举一些常见的应用：1. 超导电缆和输电线：利用超导材料的低电阻特性，可以生产高能效的输电线路和电缆，减少能源传输过程中的能量损耗。
2. 储能技术：超导材料可以用于储存和释放电能，提高能源利用效率。
超导磁能储存技术可以实现大规模储能，用于平衡电网的负荷变化。
3. 磁共振成像：超导材料的超导性能可以用于医学磁共振成像技术，在医学诊断中起到重要作用。
超导材料
超导材料当电流通过金属时，金属会发热。
用熔点高的金属丝制成的电热原件，当有电流通过时，电能将转换为热能，从而获得高温。
Ni、Cr；Ni、Cr、Fe；Ni、Cr、Al等合金以及W、Mo、Pt等金属确实是常用的电热元件材料。
电流通过金属〔或合金〕而使金属发热是由于金属内部存在着电阻，电阻具有阻碍电流通过的性质。
人们早道，金属的电阻随温度的升高而增大，电阻的增大反过来又促进金属的发热，如此恶性循环，用金属导线送电时，传输的电流因而受到限制，如铜导线在自然冷却的条件下，同意通过的最大电流密度为2～6A ／mm2；电流再大，会因发热过多而有烧坏导线的危险。
金属的这一弱点，促使人们去研究低温时金属电阻的变化。
金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。
20世纪初，科学家发明汞冷却到低于4.2K时，电阻突然消逝，导电性几乎是无限大的，当外加磁场接近固态汞随后又撤去后，电磁感应产生的电流会在金属汞内部长久地流动而可不能衰减，这种现象称为超导现象。
具有超导性质的物体称为超导体。
超导体电阻突然消逝的温度称为临界温度〔Tc)。
在临界温度以下时，超导体的电阻为零，也确实是电流在超导体中通过时没有任何损失。
超导体的最突出的性质是它们处于超导状态时，材料内部的电阻为零，电流通过时不发热，每平方毫米同意通过的电流可达到数万安培。
超导体的另一性质确实是将超导体放入磁场中，超导体内部产生的磁感应强度为零，具有完全的抗磁性。
目前，已发明近30种元素的单质，8000多种化合物和合金具有超导性能。
超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类。
具有最高临界温度〔Tc〕的纯金属是镧，Tc=12.5K；合金型目前要紧有银钛合金，Tc=9.5K；化合物型要紧有银三锡，Tc=18.3K；钒三镓，Tc=16.5K。
1986年以来，高温超导体的研究取得了重大突破。
1987年发明，在氧化物超导材料中有的在240K出现超导迹象。
由镧、锶、铜和氧组成的陶瓷材料在287K 的室温下存在超导现象，这为超导材料的应用开辟了广阔的前景。
材料物理性能第十三章---超导材料(1)
1911年LK.Onners发现了超导电性后，人们一 直在努力寻找更高临界温度的超导体。1986 年J.G.Bednorz和K.A.Mller发现了高温氧化物 超导体在35K下的超导现象，随后在短短十年 间临界温度提高到了160K，这个温度是在丰 富而廉价的液氮的沸点(77K)以上，因而被称 为高温超导，它使超导性的应用变为现实， 从此超导体在全世界范围内引起公众、政府 的极大关注。各国众多科学工作者都参与了 超导研究工作，人们期望着高温超导体的发 展与应用最终会给社会带来巨大的技术与变 革。
第十三章 超导材料
某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产 生零电阻率和排斥磁场的能力，这种现象被 称为超导电性，该类材料称为超导体或超导 材料。电力设备采用该类材料后，可以具有 传统设备根本无法达到的技术及经济效益； 有利于设备的小型化、轻量化及高效化；能 抑制大电网的短路电流；可解决远距离、大 容量输电的稳定性问题；能提高高密度输电 的可靠性等等。
23
正常电子穿越势垒，隧道电流是有电阻 的，但如果绝缘介质的厚度只有1纳米 时，则将会出现新的隧道现象，即库柏 电子对的隧道效应，电子对穿越势垒后 仍保持着配对状态。这就是约瑟夫隧道 效应。在不加任何外电场时，有直流电 流通过结，这就是直流约瑟夫效应。
24
当外加一直流电压时，结可以产生单粒 子隧道效应，结区将产生一个射频电流， 结将以同样的频率向外辐射电磁波，这 就是交流约瑟夫效应，即在结的两端施 加电压能使得结产生交变电流和辐射电 磁波；对节进行微波辐照，则结的两端 将产生一定电压的叠加。
26
2.1.2 超导合金及超导化合物
超导合金或化合物在技术上有重要价值，它 们大多是第二类超导体，具有较高的临界温 度和特别高的临界磁场和临界电流密度，超 导合金具有塑性好，易于大量生产、成本低 等优点。 Nb-Ti合金是实用超导线材的主流，其Tc随成 分变化，Ti含量增加，强磁场的特Байду номын сангаас提高。 Nb-Ti合金价格低廉，机械性能优良，易于加 工，但不宜制成扁线，因为Nb-Ti合金有显著 的各项异性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1957年，BCS理论被提出
1969年，超导纤维研制成功 1973年—— Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。
金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xO3。
1975年——500Km/h的磁悬浮列车研制成功。 1986年——Muller(缪勒)和Bednorz(柏诺兹)发现高温超体。
实际上磁场强度 B 有一穿透深度
B B0 e
x
:
穿透深度
电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个 性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。
迈斯纳效应产生的原因:
当超导体处于超导态时，在磁场 作用下，表面产生一个无损耗感 应电流。这个电流产生的磁场恰 恰与外加磁场大小相等、方向相 反，因而总合成磁场为零。换句 话说，这个无损耗感应电流对外 加磁场起着屏蔽作用，因此称它 为抗磁性屏蔽电流。
库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子 在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的 动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不 能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻 为零的超导形式。
BCS理论针对金属的超导，无法成功的解释高温超导的现象
• 相干长度：是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际
1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。
1988~至今——高温超导迅猛发展，Tc不断升高。
一些超导材料 的临界温度
3.3.2 超导材料的基本性质与理论基础
1：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻
率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低 温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没 有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。
E
正常态
超导态
2. 完全抗磁性(迈斯纳效应) 迈斯纳效应
当超导体冷却到临界温度以下 而转变为超导态后，只要周围 的外加磁场没有强到破坏超导 性的程度，超导体就会把穿透 到体内的磁力线完全排斥出体 外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零。超导体的这种特 殊性质被称为“迈斯纳效应”。
迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一 个具有完全抗磁性的抗磁体
巴丁、库珀和施里弗因为提出 超导电性的BCS理论而获得 1972年的诺贝尔物理学奖
BCS理论：——适用于金属晶体
金属晶体是有周期型排列的金属正离子和可以自由移动 的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子 核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时T<Tc， 电子不再单独一个一个存在，带负电的电子吸引原子核 向它靠拢，那么在电子周围形成局域正电势密集区，吸 引第二个自旋相反的电子。这个电子和原来的电子以一 定的结合能相结合配对，成为库柏电子对。两个电子自 旋方向相反，动量大小相等，方向相反，总能量为零。 库柏电子对的能量低于两个单独电子的能量。
根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承 、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。
3. 超导态的临界参数
临界温度（TC） 超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC） 通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保 持超导体的超导性。 临界磁场（HC） 施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导 体的超导性。
临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约 束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满 足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。 （由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）
H
Hc
正常态
V
失 超
超导态
Tc
T
Ic(V)
I
临界电流：即当每厘米样品长度上 出现电压为1V时所输送的电流
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
现象：在锡盘上放一条永久磁铁， 当温度低于锡的转变温度时，小磁 铁会离开锡盘飘然升起，升至一定 距离后，便悬空不动了。 原因：由于磁铁的磁力线不能穿过 超导体，在锡盘感应出持续电流的 磁场，与磁铁之间产生了排斥力， 磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥 力减弱到与磁铁的重力相平衡时， 就悬浮不动了。
3.3.1超导研究历史
1911年——Onnes发现Hg，现已有5000种。 1911～1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。
1933年——迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。
1933—1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物的超导现象。 1953 ～ 1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等
上这种吸引作用并不强。一个库柏对的尺寸约为104cm左右，这个尺寸相当于晶格常数的10万倍。由此可 见，一个库柏对在空间延展的范围是很大的，在这空 间范围内存在着许多个库柏对互相重叠交叉的分布。 库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子， 不像两个正常电子那样，完全互不相关的独立运动， 而是存在着一种关联性。
高温超导体YBCO的电阻-温度曲线
超导体完全导电性的解释机理—BCS理论
该理论以其发明者 巴丁（Bardeen） 库珀（Cooper） 施里弗（Schrieffer） 的名字首字母命名。 超导现象于1911年发现，但直 到1957年，美国科学家巴丁、 库珀和施里弗在《物理学评论 》提出BCS理论，其微观机理 才得到一个令人满意的解释。
Tc、Hc、Jc
任一条件变化都会从超导态变成正常态
3.3.3 超导体分类
元素超导超导体
1. 元素超导体
目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种 （如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下 或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如 右图元素周期表中绿色方框所示）。
超导现象的发现：
1911 年，荷兰科学家昂纳斯 在研究极低温度下金属导电性时 发现，当温度降到4.2K时，汞的 电阻率突然降低到接近于零。这 种现象称为汞的超导现象。
昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖
超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。