第四讲 超导体和等离子体讲解
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超导体课件
3. 我国的超导体研究
我国的超导体研究工作走在世界的前列，
目前已找到超导临界温度达132K的超导 材料.
4.我国的磁悬浮列车
我国第一
条磁悬浮 列车试验 线在长沙 建成通车
我国磁悬
浮列车驾 驶室和车 厢内部
我国第一
条磁悬浮 列车试验 线上试车 情景
第七章 电阻
第四节 超导体
1．超导体
概念 超导现象
一些物质当温度下降到某一温度时，电
阻会变为零，这种现象叫做超导现象. 能够发生超导现象的物质，叫做超ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体.
2．超导体的优缺点
如果超导体能应用于实际会降低输电损
耗，提高效率及在其他方面给人类带来 许多好处. 目前超导体还只应用在科学实验和高新 技术中 , 这是因为一般的金属或合金的超 导临界温度都较低.
第4章(2)超导体
k1 q k1
。
波矢为 k2 的电子吸收这个声子跃迁到 k2 态
k2 q k2
4
根据泡利不相容原理，费密能级以下的深能级已被电 子所填满，它们难以通过吸收或发射声子与其它能级相近 的电子发生作用。
根据量子力学的结论：满足
Ek1 Ek2 q
（1）
的两个电子可以通过交换声子产生净吸引。(波矢为q的声 子的角频率ωq , 德拜频率ωD是ωq的最大值 ) 所以只有费密面附近约 可能产生间接相互吸引作用。
0 x
k F m D kF m
2 2
k k F k F
1 D k F
EF 1 1 04 1 010 m D k F 1 0-6 m 1 03 n m
可见ξ0 数量级是晶格长度的几千倍。
11
二、BCS理论要点
以库柏对为基础的 BCS 理论，其解释超导 电性的主要要点是：
4、超导电流是靠库柏对传输的
当超导体不载电流时,所有库柏对的动量为零（ki ↑, - ki↓） ，没有电流。当超导体处于载流超导态时，每 个库柏对的总动量不再为零，所有的库柏对都获得一 个附加动量 p = ћ k ，表示为
〔（ki+k／2）↑，（- ki+k／2 ） ↓ 〕
即在载流态，超导体中的电子在 k 空间分布整体 地移动了 k／2 。
0
31
超导状态下的电流 I 与 最大约瑟夫逊电流 I 的关系 为 I = I0 sinθ 式中θ 表示两超导体的 量子状态的相位差。当θ = 900 时，出现 A B 的开 关特性: I < I 超导结上不产生 电压降，零电阻。 I = I 超导结上产生电 压降，有电阻。
超导体
在19世纪末20世纪初，对金属的电阻在绝对零度附近的变化情况，有不同的说法。一种观点认为纯金属的电 阻应随温度的降低而降低，并在绝对零度时消失。另一种观点，以威廉·汤姆逊（开尔文男爵）为代表，认为随 着温度的降低，金属的电阻在达到一极小值后，会由于电子凝聚到金属原子上而变为无限大。
1911年2月，掌握了液氦和低温技术的卡末林·昂尼斯发现，在4.3K以下，铂的电阻保持为一常数，而不是 通过一极小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。为了验证这种猜想，卡末 林·昂尼斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象。首先，卡末林·昂尼斯将汞冷却到零下40℃，使汞凝固成线状； 然后利用液氦将温度降低至4.2K附近，并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时，汞的电阻突然消失，表现 出超导状态。
超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的 缺陷材料。
背景
超导体的发现与低温研究密不可分。在18世纪，由于低温技术的限制，人们认为存在不能被液化的“永久气 体”，如氢气、氦气等。1898年，英国物理学家杜瓦制得液氢。1908年，荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的卡末 林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化，并通过降低液氦蒸汽压的方法，获得1.15~4.25K的 低温。 低温研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。
BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动， 形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正 电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原 来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子 对将不会和晶格发生能量交换，没有电阻，形成超导电流。
1911年2月，掌握了液氦和低温技术的卡末林·昂尼斯发现，在4.3K以下，铂的电阻保持为一常数，而不是 通过一极小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失。为了验证这种猜想，卡末 林·昂尼斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象。首先，卡末林·昂尼斯将汞冷却到零下40℃，使汞凝固成线状； 然后利用液氦将温度降低至4.2K附近，并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时，汞的电阻突然消失，表现 出超导状态。
超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的 缺陷材料。
背景
超导体的发现与低温研究密不可分。在18世纪，由于低温技术的限制，人们认为存在不能被液化的“永久气 体”，如氢气、氦气等。1898年，英国物理学家杜瓦制得液氢。1908年，荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的卡末 林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化，并通过降低液氦蒸汽压的方法，获得1.15~4.25K的 低温。 低温研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。
BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成库珀对，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动， 形成超导电流。对于库珀对产生的原因，BCS理论做出了如下解释：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正 电荷，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原 来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子 对将不会和晶格发生能量交换，没有电阻，形成超导电流。
超导体和等离子体讲解
如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达 到难以置信的164K (-109℃)。
1997年，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体 同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在 45K (-228℃)时具有超导电性。由于该化合物独特 的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力 将非常巨大。
2、迈斯纳（Meissner）效应 —超导体具有将磁场完全排斥在外的完全抗磁性 迈斯纳（Meissner）效应可用磁悬浮实验演示：
从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两 种：
20世纪50年代初，苏联科 学家提出了磁约束的概念，并 于1954年建成了第一个磁约束 装置——托卡马克(Tokamak)， 它是俄语“磁线圈环形真空室” 的缩写
0
h 2e
2.0678346110-15 Wb
约瑟夫森效应是一种隧道效应（势垒贯穿）起 源于微观粒子波动性的量子效应
1962年由约瑟夫森从理论上预言，后被实验所证实
1）如果在两超导体之间夹有10-3 ~ 10-4m 的绝缘，
薄层则即使绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍 然可以持续地流过直流超导电流
2）如果在绝缘层两层的超导膜上加直流电压， 则在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波，交变超导电流的振荡频率为
超导输电线路 超导材料用于制作超导电线和超 导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电 能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力 损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的 电能相当于新建数十个大型发电厂。
超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少 的关键部件。
超导磁悬浮列车
第
超四 导讲
体 和 等 离 子 体
1997年，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体 同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在 45K (-228℃)时具有超导电性。由于该化合物独特 的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力 将非常巨大。
2、迈斯纳（Meissner）效应 —超导体具有将磁场完全排斥在外的完全抗磁性 迈斯纳（Meissner）效应可用磁悬浮实验演示：
从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两 种：
20世纪50年代初，苏联科 学家提出了磁约束的概念，并 于1954年建成了第一个磁约束 装置——托卡马克(Tokamak)， 它是俄语“磁线圈环形真空室” 的缩写
0
h 2e
2.0678346110-15 Wb
约瑟夫森效应是一种隧道效应（势垒贯穿）起 源于微观粒子波动性的量子效应
1962年由约瑟夫森从理论上预言，后被实验所证实
1）如果在两超导体之间夹有10-3 ~ 10-4m 的绝缘，
薄层则即使绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍 然可以持续地流过直流超导电流
2）如果在绝缘层两层的超导膜上加直流电压， 则在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波，交变超导电流的振荡频率为
超导输电线路 超导材料用于制作超导电线和超 导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电 能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力 损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的 电能相当于新建数十个大型发电厂。
超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少 的关键部件。
超导磁悬浮列车
第
超四 导讲
体 和 等 离 子 体
电动力学课件3-4-5超导体的电磁性质
电动力学课件3-4-5 超导体的电磁性质
目录
• 超导体的基本性质 • 超导体的电磁性质 • 超导体的应用 • 超导体的未来发展
01
CATALOGUE
超导体的基本性质
超导体的定义
总结词
超导体是一种在低温下电阻为零的物质，能够完全抗磁，并在一定条件下表现出超导电性。
详细描述
超导体是一种特殊的物质，在极低的温度下，其内部电子被“冻结”成一种特殊的状态，即玻尔兹曼凝聚态。在 这种状态下，超导体内的所有电子都凝聚成一个整体，形成一个巨大的集体运动波函数，导致超导体的电阻完全 消失，成为超导体。
超导体具有完全抗磁性，即磁场无法 穿透超导体表面，而是被排斥在外。
磁通量量子化是超导体的一个重要特 性，对于理解超导现象和超导体的应 用具有重要意义。
超导体的磁通量是量子化的，即磁通 量只能取特定值，这是由于超导体中 的电子成对出现，形成玻色子，导致 磁通量只能以整数倍变化。
超导体的电磁辐射
超导体在磁场中会产生电磁辐射 ，这是由于超导体中的电子在运 动过程中受到洛伦兹力作用而产
源利用效率。
大规模电网
超导电缆和超导变压器在长距离、 大规模的电力传输中具有显著优势 ，有助于构建高效、稳定的电网系 统。
源浪费。
超导体的磁悬浮应用
高速交通
超导磁悬浮列车利用超导体的磁 悬浮效应，实现高速、安全、舒 适的交通方式，提高交通运输效
超导材料在磁场中的强磁响应特性使其在磁共振成像、磁悬 浮列车以及粒子加速器等领域具有广阔的应用前景。通过技 术突破和创新，这些领域的超导应用有望取得重大突破。
超导体的未来发展趋势
随着科学技术的不断进步，超导体的应用领域将进一步拓 展。未来，超导技术有望在能源、交通、医疗和通信等领 域发挥重要作用。
目录
• 超导体的基本性质 • 超导体的电磁性质 • 超导体的应用 • 超导体的未来发展
01
CATALOGUE
超导体的基本性质
超导体的定义
总结词
超导体是一种在低温下电阻为零的物质，能够完全抗磁，并在一定条件下表现出超导电性。
详细描述
超导体是一种特殊的物质，在极低的温度下，其内部电子被“冻结”成一种特殊的状态，即玻尔兹曼凝聚态。在 这种状态下，超导体内的所有电子都凝聚成一个整体，形成一个巨大的集体运动波函数，导致超导体的电阻完全 消失，成为超导体。
超导体具有完全抗磁性，即磁场无法 穿透超导体表面，而是被排斥在外。
磁通量量子化是超导体的一个重要特 性，对于理解超导现象和超导体的应 用具有重要意义。
超导体的磁通量是量子化的，即磁通 量只能取特定值，这是由于超导体中 的电子成对出现，形成玻色子，导致 磁通量只能以整数倍变化。
超导体的电磁辐射
超导体在磁场中会产生电磁辐射 ，这是由于超导体中的电子在运 动过程中受到洛伦兹力作用而产
源利用效率。
大规模电网
超导电缆和超导变压器在长距离、 大规模的电力传输中具有显著优势 ，有助于构建高效、稳定的电网系 统。
源浪费。
超导体的磁悬浮应用
高速交通
超导磁悬浮列车利用超导体的磁 悬浮效应，实现高速、安全、舒 适的交通方式，提高交通运输效
超导材料在磁场中的强磁响应特性使其在磁共振成像、磁悬 浮列车以及粒子加速器等领域具有广阔的应用前景。通过技 术突破和创新，这些领域的超导应用有望取得重大突破。
超导体的未来发展趋势
随着科学技术的不断进步，超导体的应用领域将进一步拓 展。未来，超导技术有望在能源、交通、医疗和通信等领 域发挥重要作用。
大学物理等离子体课件
数H守恒的情况下，有
f
(x,
v)
n0
m
2pT
3/ 2
exp(
H
kT
)
等离子体的高导电性和内部电场
• 等离子体是良导体。
– 等离子体由能够自由移动的带电粒子组成，因而具有 很好的导电特性。
• 非磁化等离子体无内部电场
– 如果把等离子体视为电阻很小的良导体，非磁化的等 离子体内部则相当于导体内部，电场趋向于0。
Zie kTi
)]
n0e2 0
1 (
kTe
Zi
kTi
)
lD2
lDe
0k Te
n0e2
,
lDi
0k Ti
Zi n0e2
,
lD
(lD2e
l2 Di
)
1 2
• 而此时静电势为：
0
(x)
0
exp(
|x| )
lD
• 这里电势衰减的特征长度正是德拜长度。也是等离子体在空 间上能够偏离中性条件的尺度。
点电荷的德拜屏蔽
准电中性的空间尺度
• 等离子体偏离电中性具有一定的空间尺度和时间尺度。
• 考虑在等离子体中放入一个电势为f的无限大平板栅极。这 时，假设栅极电位大于0，周围的离子被赶走，而电子被吸 引，从而产生净电荷。净电荷产生的电场与带电粒子的热 运动达到动态平衡。
• 此时，考虑一维静电情况下的等离子体的分布函数 f ( t, x,
• Saha方程描述了温度与电离度（电离和复合达到平 衡）的关系。
neni pepi
2p mekT
3/ 2
eEi kT
n0
p0
h3
– 这里ne,ni是电子和离子的密度，no是中性粒子的密度，h是
等离子体PPT幻灯片课件
高温等离子体：高度电离的等 离子体，离子温度和电子温度 都很高。
3
4
2、怎样产生等离子体？
等离子体的形成
固体 液体 气体 等离子体
能量
能量
能量
物质的四种状态
5
方法1：对于气态的物质，温度升高到几千度 时，由于物质分子的热运动的加剧，相互间的 碰撞就会使气体的分子产生电离，这样的物质 就变成正离子和电子组成的混合物等离子体。 方法2：
14
等离子体隐身技术
方法一：是利用等离子体发生器产生等离子体，即在 低温下，通过电源以高频和高压的形式提供的高能量 产生间隙放电、沿面放电等形式，将气体介质激活、 电离形成等离子体。 方法二：是在兵器特定部位（如强散射区）涂一层放 射性同位素，它的辐射剂量应确保它的a射线电离空气 所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度， 以确保对雷达波有最强的吸收。与前者相比，后者比 较昂贵且维护困难。
15
独特的优点:
(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好．使用简便、 使用时间长、价格极其便宜； (2)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不 会影响飞行器的飞行性能．还可以减少30%以上的飞 行阻力。
存在难点:
(1)飞行速度对等离子体的影响; (2) 等离子体是一项十分复杂 的系统工程，涉及到大 气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机 械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。
6
各种等离子体的密度和温度
7
等离子体工业生产模型
低温等离子体的建立系统;水平式和垂直式
产生低温等离子体系统
8
等离子体主要用于以下3方面：
•离子体冶炼：用于难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr) 、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于 简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别 等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；可开发硬的高熔点粉末， 如碳化钨-钴。 •等离子体喷涂：用等离子体沉积快速固化法可将特种材 料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上 ，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可 大大提高喷涂质量。
3
4
2、怎样产生等离子体？
等离子体的形成
固体 液体 气体 等离子体
能量
能量
能量
物质的四种状态
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方法1：对于气态的物质，温度升高到几千度 时，由于物质分子的热运动的加剧，相互间的 碰撞就会使气体的分子产生电离，这样的物质 就变成正离子和电子组成的混合物等离子体。 方法2：
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等离子体隐身技术
方法一：是利用等离子体发生器产生等离子体，即在 低温下，通过电源以高频和高压的形式提供的高能量 产生间隙放电、沿面放电等形式，将气体介质激活、 电离形成等离子体。 方法二：是在兵器特定部位（如强散射区）涂一层放 射性同位素，它的辐射剂量应确保它的a射线电离空气 所产生的等离子体包层具有足够的电子密度和厚度， 以确保对雷达波有最强的吸收。与前者相比，后者比 较昂贵且维护困难。
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独特的优点:
(1)吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好．使用简便、 使用时间长、价格极其便宜； (2)俄罗斯的实验证明，利用等离子体隐身技术不但不 会影响飞行器的飞行性能．还可以减少30%以上的飞 行阻力。
存在难点:
(1)飞行速度对等离子体的影响; (2) 等离子体是一项十分复杂 的系统工程，涉及到大 气等离子体技术、电磁理论与工程、空气功力学、机 械与电气工程等学科，具有很强的学科交叉性。
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各种等离子体的密度和温度
7
等离子体工业生产模型
低温等离子体的建立系统;水平式和垂直式
产生低温等离子体系统
8
等离子体主要用于以下3方面：
•离子体冶炼：用于难于冶炼的材料，例如高熔点的锆(Zr) 、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属；还用于 简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别 等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；可开发硬的高熔点粉末， 如碳化钨-钴。 •等离子体喷涂：用等离子体沉积快速固化法可将特种材 料粉末喷入热等离子体中熔化，并喷涂到基体（部件）上 ，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，这可 大大提高喷涂质量。
优品课件之第四节 超导体
第四节超导体*第四节超导体(一)教材人教社九年义务教育初中物理第二册(二)教学目的1．常识性了解什么叫超导现象，超导体和超导转变温度．2．常识性了解发现超导体的意义．3．常识性了解超导的历史和最新发展．(三)教具圆环形磁体四个，绝缘支座一个．(四)教学过程1．复习什么叫导体的电阻？导体的电阻跟哪些因素有关？2．引入新课金属的电阻随温度的升高而增大，当金属的温度降低时，它的电阻减小．1911年，荷兰物理学家昂内斯在测定水银在低温下的电阻值时发现，当温度降到-269℃左右时，水银的电阻变为零，这种现象叫超导现象．3．进行新课（以讲授的方式进行）(1)超导①超导现象：当温度降到某一温度时，金属的电阻变为零的现象．②超导体：能够发生超导现象的物质，叫做超导体．（注意：不是所有物体都会发生超导现象）③超导转变温度（又叫超导临界温度）：物质的电阻降到一定温度时，才会出现超导现象，物质电阻变为零的温度叫做超导转变温度，用Tc表示．几种超导体的超导转变温度（Tc）．铝：-271.76℃．铅：-265.97℃．锡：-269.43℃．水银：-268.99℃．钨：-273.14℃．(2)超导体的应用前景因为超导体在很低的温度下才会发生超导现象，目前超导体还不能在常温下应用于实际生产和生活中，只应用于科学实验和高新技术中．如果能应用于实际，会给人类带来很大的好处．举几例如下：①输电导线利用超导体，可以大大降低输电的电能损耗．②如果把发电机和电动机的线圈用超导体制成超导线圈，可以使发电机和电动机的质量减小，功率增大，效率提高．③利用超导体可制造出磁悬浮列车，它的速度可达几百千米每时．讲授磁悬浮现象可做图11所示的实验．其中A、B、C、D是圆环形磁体，它的上、下两个平面分别是两个磁极．使相邻的两个圆环的南极和南极相对，北极和北极相对．由于排斥力使B、C、D三个圆环悬浮在空中，这种现象叫磁悬浮．在磁悬浮列车中，有超导体制成的超导线圈，当发生超导现象时，线圈中电流可以达到很大的程度，强大的电流产生很强的磁性．地上有用超导线圈铺设的轨道，跟列车底部超导线圈相对，它们产生的磁性都很强，相互正对的一面磁极相同，在强大的磁力作用下，列车悬浮在空中，列车向前运行时不受地面的摩擦阻力，只受到较小的空气阻力，就使列车的速度能提高很多倍．可用有关影片资料或参观科技馆使学生获得直观的认识．(3)超导研究的历史和发展前景1911年，昂内斯首先发现水银的超导现象．1911年～1986年3月经过75年的努力，找到具有高转变温度的超导材料――铌三锗，Tc为-250℃．1987年2月24日，我国宣布获得Tc为～173℃以上的超导体．1989年，我国已找到Tc为-141℃的超导体材料．目前，各国科学家还在继续研究Tc值更高的超导体材料，以将超导应用到生产和生活中去．4．小结超导的应用具有诱人的前景，所以各国科学家不断努力研究，取得了很大的进展，在这一领域中，我国科学家做出了很大的贡献，走在世界的前列．这堂课我们初步了解了什么是超导，在什么条件下才会出现超导现象，它的应用前景和发展情况．希望大家对这一领域发生兴趣．(五)说明1．“超导体”这节课内容属于常识性了解的知识．目的是使学生对“超导现象”这一科技领域中的最新研究情况和应用前景有所了解．因此讲授本课内容不易过深，有的知识还要做到深入浅出．例如：输电线路的电能损失，可以用挑一担水作比喻，在路上洒的越多，挑回去的水就越少．2．关于“磁悬浮”和磁悬浮列车，可以用挂图，实验讲解，最好配合有关影片资料和参观科技馆里的磁悬浮列车的模型，以获得较好的教学效果．3．有关超导体方面的研究，将不断会有所报道，讲授时应不断补充有关内容，使学生获得最新的信息．文章来山课件优品课件，意犹未尽，知识共享，共创未来！！！。
超导应用.ppt
接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中 的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导 体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的 实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼 斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 互， 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论
JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※BCS理论的一个基本近似是：取消了电－声子作用 对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。 实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层 内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 互， 作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导 体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却 与BCS理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※伦敦方程的修正－Pippard非局域理论
JS与A(r)的非局域关系－Pippard方程：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m
04等离子体简介PPT课件
磁粘滞、扩散系数、 电阻率、耗散率
由等离子体运动以及等离子体的电阻特性
确定磁场的位形
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电磁学：面电荷区产生电场，
运动方程：
x=0
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简谐振荡方程：
• 等离子体的本征振荡，同德拜屏蔽现象一样是等离子体 集体行为的表现之一
• 等离子体振荡与等离子体响应时间的关系：互为倒数 等离子体振荡与得拜屏蔽同是等离子体
对外加扰动的“第一”响应
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34
§3.3 磁流体力学
等离子体的四种描述/研究方法 （经典、非相对论体系） 1.单粒子轨道理论（最简单、最基本的描述方法） 2. PIC数值模拟方法 particle in cells
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3、等离子体响应时间： 静态等离子体的德拜长度，主要取决于低温成分的德 拜长度。在较快的过程中，离子不能响应其变化，在 鞘层内不能随时达到热平衡的玻尔兹曼分布，只起到 常数本底作用，此时等离子体的德拜长度只由电子成 份决定。 等离子体的响应时间： 1)、建立德拜屏蔽所需要的时间 2)、等离子体对外加电荷扰动的响应时间 3)、电子以平均的热速度跨越鞘层空间所
的区域，可将玻尔兹曼分布作泰勒展开，并取线性项，
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可得新的泊松方程：
分别定义等离子体、电子和离子的德拜长度Leabharlann ，则可求得德拜势24
德拜电势示意图
德拜屏蔽是两个过程竞争 的结果:
1、捕获与约束 2、逃逸与屏蔽 (反抗约束)由自由 能与捕获能平衡决定!
德拜长度:
1、随数密度增加而减小，即更 小范围内便可获得足够多的屏 蔽用的粒子
电子平均自由程集体现象的特征尺度。 等离子体波的振荡和波的性质被充分显示出来
4
§3.1 天体磁场的普遍性
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超导输电线路 超导材料用于制作超导电线和超 导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电 能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力 损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的 电能相当于新建数十个大型发电厂。 超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少 的关键部件。
h 0 2.06783461 10 -15 Wb 2e 约瑟夫森效应是一种隧道效应（势垒贯穿）起 源于微观粒子波动性的量子效应
1962年由约瑟夫森从理论上预言，后被实验所证实
1）如果在两超导体之间夹有10-3 ~ 10-4 m 的绝缘， 薄层则即使绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍 然可以持之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波，交变超导电流的振荡频率为
1988年初日本宣布制成临界温度达110K的BiSr-Ca-Cu-O超导体。至此，人们终于实现了液氮 温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。
科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度 可达125K (-148℃)，汞系化合物超导材料的临界 温度则可达135K (-138℃)。 如果将汞置于高压条件下，其临界温度将能达 到难以置信的164K (-109℃)。 1997年，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体 同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在 45K (-228℃)时具有超导电性。由于该化合物独特 的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力 将非常巨大。
1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下 的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温 度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝结 成固态的水银的电阻突然下降并趋于零.
电阻率 2 1[1 （T2 - T1 )]
R/
0.10 0.05 * *
*
*
超导的转变 温度 T
C
4.10 4.20 4.30
第 超四 导讲 体 和 等 离 子 体
超导磁悬浮列车
超导 —超导电性 （金属、合金或其它材料电阻变零的性质） 一、超导物理性质 1、零电阻 1784年英国化学家拉瓦锡曾预 言：假如地球突然进到寒冷的地 区，空气无疑将不再以看不见的 流体形式存在，它将回到液态。 从那时候起，拉瓦锡的预言就 一直激励着人们去实现“永久气 体”的液化, 使气体变成液体，并 由此得到极低的温度。
获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
20世纪80年代起掀起高温超导研究:
超导新材料的发现 高温超导体—临界温度在液氮温度77K (-196℃） 以上。 1981年合成了有机超导体 1986年苏黎世实验室的缪勒和柏诺兹发现了陶 瓷性金属氧化物LaBaCuO4，TC约为35K (-238℃)。 陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质 获得了1987年的诺贝尔物理学奖。 1987年，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组 与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制 成临界温度约为90K (-183℃)的超导材料YBCO。
从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两 种：
20世纪50年代初，苏联科 学家提出了磁约束的概念，并 于1954年建成了第一个磁约束 装置——托卡马克(Tokamak)， 它是俄语“磁线圈环形真空室” 的缩写
高能粒子加速器
超导核聚变托卡马 克装置
核聚变 在一定条件下，一个氘核(由一个质子一个中子 组成)和一个氚核(由一个质子和二个中子组成)会发 生聚变核反应，生成一个氦核(二个质子和二个中子 组成)，并放出一个中子。 精密的测量表明，氦核加上一个中子的质量之和 小于一个氘核与氚核反应前的质量之和，发生了明 显的质且亏损。 根据著名的爱因斯坦质能公式E＝mc2，反应过程中 出现的质量亏损转化为巨大的能量释放出来。
荷兰物理学家 昂尼斯 (H.K.Onnes)
1877年法国物理学家盖勒德首先实现了“永久气 体”中氧的液化，液体氧的温度低达-140℃.
1898年，英国科学家杜瓦获得液化氢，液氢的温 度为-252.76℃，次年杜瓦又成功地使液氢变为固 体氢，固体氢的温度低到-260℃。 1908年昂尼斯首次把 最后一个“永久气体” 氦气液化，并获得低 于4K的低温。
2eV
超导体的电子比热、同位素效应、超导能隙等 超导体的理论研究超出经典物理的范畴——BCS 理论（1957年联合提出）
大电流应用（强电应用） 二、超导技术的应用 电子学应用（弱电应用） 抗磁性应用
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全 的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得 10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体， 要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大 量的冷却水，投资巨大。 超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发 电机和超导输电线路等。 超导发电机利用超导线圈磁体可以将发电机的 磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量 损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电 机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1 万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发 电效率提高50％。
T/K
电磁感应效应
S
N
V
ω o
N
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R
为证实这一发现，他们用固态的水银做成环路， 并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。但当水 银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运 动，感应电流却仍然存在。他们坚持定期测量一 年，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存 在，并且没有强度变弱的任何迹象。
2、迈斯纳（Meissner）效应
—超导体具有将磁场完全排斥在外的完全抗磁性 迈斯纳（Meissner）效应可用磁悬浮实验演示：
同理一个超导球用一通有持续电流的超导环使它 悬浮, 根据这个原理制成的超导重力仪，可以精 确测量地球重力的变化
3、磁通量子化和约瑟夫森（Josephson）效应
——超导体两种独特的宏观量子效应 类磁通——穿过中空超导体内空腔以及超导体内 表面穿透区域的总磁通量 磁通量子化——理论和实验表明超导体的类磁 通是守恒的，并其值是量子化的，最小的类磁 通单位称为磁通量子，