超导电性(Superconductivity)-2013年中科大《材料物理》ppt课件
Superconductivity and its Applications
Superconductivity and its Applications 超导和超导应用超导是一种奇妙的物理现象，它是指近零电阻的材料在特定温度下，可以自发地将电流运输而不损失电能，这一现象被称为超导。
自从超导现象被发现以来，超导性质已成为物理，工程和生物等多个领域的研究热点。
本文将对超导的概念，性质和应用进行探讨。
一、超导的概念超导最早被发现是在1911年，当时在荷兰的莱顿大学，物理学家海克尔斯和卡末林发现在低温下汞的电阻突然减小并最终消失。
这一现象是有趣的，因为在当时的物理学家看来，电阻是任何材料中的必需品。
经过进一步研究，物理学家们发现这一效应是由于材料在超导状态下，电子以成对的形式移动，即库珀对，而不是独立地移动。
这一对电子之间发生了什么不尽清楚，但是这种共同运动使得电流在材料中流动时经历了相干性的运动而不会损失电能。
超导材料的主要特点是在超导状态下，所有有电荷的自由运动质量的粒子（通常是电子），即使在有外部电场的情况下也无法通过材料中传播，因此在超导状态下不能流失电能。
此外，超导体在超导状态下具有强磁场抑制效应，磁通通过超导体时，阻力为零。
二、超导的性质超导体的主要性质包括临界温度，临界电流密度和退相干距离。
1、临界温度临界温度是指在一个超导体中必须达到的温度，才能让这个超导体进入超导态。
所有的超导材料都有一个特定的临界温度，当温度降到这个温度以下时，电阻将下降到零。
对于高温超导材料（HTS），临界温度通常大于-100°C。
2、临界电流密度临界电流密度是指在一个超导状态下的电流密度水平超出了它的临界值，会导致超导材料失去超导功能。
通常，超导材料在其临界电流密度的一小部分内表现出类似于阻抗的性质，使其能够承受相对较大的电流。
但是超过这个限制，将会破坏超导和废除材料的超导性质。
3、退相干距离退相干距离是指在超导电流通过超导体时，因为磁通对超导电子对的长度进行干扰，并且当它们受到干扰时，它们的超导性的长度。
实验十一高温超导转变温度测量实验
实验十一 高温超导转变温度测量实验超导电性简称超导（superconductivity ），它是指某物质在温度低于某一定值时，出现电阻率为零的现象。
自20世纪20年代起，人们就开始对超导性的理论和应用做了大量的研究。
随着超导研究的进展，特别是20世纪80年代高温超导材料问世后，超导技术已开始广泛应用于科学研究和人类生活之中。
一．实验目的1．了解FD-TX-RT-II 高温超导转变温度测定仪的结构及使用方法；2．掌握液氮低温技术；3．利用FD--RT-II 高温超导转变温度测定仪，测量氧化物超导体YBa2CuO7的超导临界温度。
二．实验原理1．超导现象在所用气体中，氮具有最低的液化温度。
1908年，卡末林·昂尼斯（H ·Kammerlingh Onnes ）首先成功地液化了氮，利用液氮又获得了4.25～1.15K 的极低温度。
在新到达的低温范围内，昂尼斯进行了金属电阻随温度变化的研究。
1911年，他发现当温度降低时，汞的电阻率先平缓地减少，当温度T <4.2K 时，汞的电阻率突然降为零。
随后他又发现，除铜、金、银与铁等室温下的良导体以外，还有其他许多金属有此现象。
1913年他将这种新的物态定名为超导态（Superconducting State ），而将电阻率突然为零的温度称为超导体转变温度（inversiontemperature ）或临界温度，用T c 表示。
在昂尼斯之后，人们又陆续发现了许多其他金属或合金在低温下也能转变为超导态，但它们的转变温度不同。
由于这些金属的超导现象是在低温下获得，故这种超导现象也称为低温超导。
处在超导态的物质具有如下重要性质：1） 直流零电阻效应如前所述，当某些金属、合金和化合物的温度下降到T <T c 时，它们的电阻率突然降为零，处于超导态。
在超导态下，物质的电阻真的完全消失了吗？最灵敏的试验是超导环中的持续电流试验：将一金属环放在垂直于环平面的磁场中，将其冷却到超导的转变温度以下，然后撤去磁场，由电磁感应原理知，这时在环中产生感应电流。
低温物理与技术-第7章 超导电性
h2 2 2 (1 2 ) 0 V (r1 r2 ) 0 E 0 2m
其中V(r1+ r2)代表两电子间的吸引位势
在弱耦合极限下（ N(0)V<<1），
E 2EF 2hc e
2 N ( 0)V
存在着一个电子对束缚态，其能量比2EF低，
2hc e
此可确定T＞0K下的能隙。 令＝0，即得到确定Tc的方程
h tanh( / 2kTc ) 1 d 0 N (0)V
令x＝/2kTc，将右方积分先进行部分积分，再考虑到kTc<< hc ，
kTc 1.14hce
1/ N ( 0)V
这就是确定超导转变温度的BCS公式。 条件kTc<< hc 就相当于N(0)V<<1，即弱耦合条件。 由于 c M-1/2，所以上式结果表示Tc M-1/2，即BCS理论预言 有同位素效应。 由上式还可看出，费米能处的态密度N(0)包含在指数中。于 是Tc强烈地与N(0)有关，特别是 N(0)高有利于得到高Tc，许
2
库伯对
相干长度
h / pF
h 2m EF
k
R
k
得到GL理论引进的相干长度
(T )
h [2m* (Tc T ) ' ]1/ 2
其中
' ( )T Tc T
显然，GL相干长度 (T) 不同于皮帕尔德引进的与温度无关的相干长度(纯超导体为 0，脏超导体为 (l))，它进一步表明超导体的相干长度是和温度有关的。
Cooper pair
k1=k1’+q
k2’=k2+q
(a)
(b)
2013期刊影响因子
期刊英文名中文名影响因子Nature自然31.434Science科学28.103Nature Material自然（材料）23.132Nature Nanotechnology自然（纳米技术）20.571Progress in Materials Science材料科学进展18.132Nature Physics自然（物理）16.821Progress in Polymer Science聚合物科学进展16.819Surface Science Reports表面科学报告12.808Materials Science & Engineering R-reports材料科学与工程报告12.619Angewandte Chemie-International Edition应用化学国际版10.879Nano Letters纳米快报10.371Advanced Materials先进材料8.191Journal of the American Chemical Society美国化学会志8.091Annual Review of Materials Research材料研究年度评论7.947Physical Review Letters物理评论快报7.180Advanced Functional Materials先进功能材料6.808Advances in Polymer Science聚合物科学发展6.802Biomaterials生物材料6.646Small微观？6.525Progress in Surface Science表面科学进展5.429Chemical Communications化学通信5.34MRS Bulletin材料研究学会（美国）公告5.290Chemistry of Materials材料化学5.046Advances in Catalysis先进催化4.812Journal of Materials Chemistry材料化学杂志4.646Carbon碳4.373Crystal Growth & Design晶体生长与设计4.215Electrochemistry Communications电化学通讯4.194The Journal of Physical Chemistry B物理化学杂志，B辑：材料、表面、界面与生物物理4.189 Inorganic Chemistry有机化学4.147Langmuir朗缪尔4.097Physical Chemistry Chemical Physics物理化学4.064International Journal of Plasticity塑性国际杂志3.875Acta Materialia材料学报3.729Applied Physics Letters应用物理快报3.726Journal of power sources电源技术3.477Journal of the Mechanics and Physics of Solids固体力学与固体物理学杂志3.467 International Materials Reviews国际材料评论3.462Nanotechnology纳米技术3.446Journal of Applied Crystallography应用结晶学3.212Microscopy and Microanalysis 2.992Current Opinion in Solid State & Materials Science固态和材料科学的动态2.976Scripta Materialia材料快报2.887The Journal of Physical Chemistry A物理化学杂志，A辑2.871Biometals生物金属2.801Ultramicroscopy超显微术2.629Microporous and Mesoporous Materials多孔和类孔材料2.555Composites Science and Technology复合材料科学与技术2.533Current Nanoscience当代纳米科学2.437Journal of the Electrochemical Society电化学界2.437Solid State Ionics固体离子2.425IEEE Journal of Quantum ElectronicsIEEE量子电子学杂志2.413Mechanics of Materials材料力学2.374Journal of nanoparticle research纳米颗粒研究2.299CORROSION SCIENCE腐蚀科学2.293Journal of Applied Physics应用物理杂志2.201Journal of Biomaterials Science-Polymer Edition生物材料科学—聚合物版2.158IEEE Transactions on NanotechnologyIEEE 纳米学报2.154Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials晶体生长和材料表征进展2.129 Journal of Physics D-Applied Physics物理杂志D——应用物理2.104Journal of the American Ceramic Society美国陶瓷学会杂志2.101Diamond and Related Materials金刚石及相关材料2.092Journal of Chemical & Engineering Data化学和工程资料杂志2.063Intermetallics金属间化合物2.034Electrochemical and Solid State Letters固体电化学快报2.001Synthetic Metals合成金属1.962Composites Part A-Applied Science and Manufacturing复合材料A应用科学与制备1.951 Journal of Nanoscience and Nanotechnology纳米科学和纳米技术1.929Journal of Solid State Chemistry固体化学1.91Journal of Physics: Condensed Matter物理学学报：凝聚态物质1.9Urnal of Bioactive and Compatible Polymer生物活性与兼容性聚合物杂志1.896 International Journal of Heat and Mass Transfer传热与传质1.894Applied Physics A-Materials Science & Processing应用物理A－材料科学和进展1.884Thin Solid Films固体薄膜1.884Surface & Coatings Technology表面与涂层技术1.860Materials Science & Engineering C-Biomimetic and Supramolecular Systems材料科学与工程C—仿生与超分子系统1.812Materials Research Bulletin材料研究公告1.812International Journal of Solids and Structures固体与结构1.809Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microst材料科学和工程A—结构材料的性能、组织与加工1.806Materials Chemistry and Physics材料化学与物理1.799Powder Technology粉末技术1.766Materials Letters材料快报1.748Journal of Materials Research材料研究杂志1.743Smart Materials & Structures智能材料与结构1.743Solid State Sciences固体科学1.742Polymer Testing聚合物测试1.736Nanoscale Research Letters纳米研究快报1.731Surface Science表面科学1.731Optical Materials光学材料1.714International Journal of Thermal Sciences热科学1.683Thermochimica Acta热化学学报1.659Journal of Biomaterials Applications生物材料应用杂志1.635Journal of Thermal Analysis and Calorimetry1.63Journal of Solid State Electrochemistry固体电化学杂志1.597Journal of the European Ceramic Society欧洲陶瓷学会杂志1.58Materials Science and Engineering B-Solid State Materials for Advanced Tech材料科学与工程B—先进技术用固体材料1.577Applied Surface Science应用表面科学1.576European Physical Journal B欧洲物理杂志B1.568Solid State Communications固体物理通信1.557International Journal of Fatigue疲劳国际杂志1.556Computational Materials Science计算材料科学1.549Cement and Concrete Research水泥与混凝土研究1.549Philosophical Magazine Letters哲学杂志（包括材料）1.548Current Applied Physics当代应用物理1.526Journal of Alloys and Compounds合金和化合物杂志1.51Wear磨损1.509Journal of Materials Science-Materials in Medicine材料科学杂志—医用材料1.508 Advanced Engineering Materials先进工程材料1.506Journal of Nuclear Materials核材料杂志1.501International Journal of Applied Ceramic Technology应用陶瓷技术1.488Chemical Vapor Deposition化学气相沉积1.483COMPOSITES PART B-ENGINEERING复合材料B工程1.481Composite Structures复合材料结构1.454Journal of Non-crystalline Solids非晶固体杂志1.449Journal of Vacuum Science & Technology B真空科学与技术杂志B1.445Semiconductor Science and Technology半导体科学与技术1.434Journal of SOL-GEL Science and TEchnology溶胶凝胶科学与技术杂志1.433Science and Technology of Welding and Joining焊接科学与技术1.426Metallurgical and Materials Transactions A-Physical Metallurgy and Material冶金与材料会刊A——物理冶金和材料1.389Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering材料科学与工程中的建模与模拟1.388Philosophical Magazine A-Physics of Condensed Matter Structure Defects andMechanical Properties哲学杂志A凝聚态物质结构缺陷和机械性能物理1.384Philosophical Magazine哲学杂志1.384Ceamics International国际陶瓷1.369Oxidation of Metals材料氧化1.359Modern Physics Letters A现代物理快报A1.334Cement & Concrete Composites水泥与混凝土复合材料1.312Journal of Intelligent Material Systems and Structures智能材料系统与结构1.293Journal of Magnetism and Magnetic Materials磁学与磁性材料杂志1.283Journal of Electronic Materials电子材料杂志1.283Surface and Interface Analysis表面与界面分析1.272Science and Technology of Advanced Materials1.267Journal of Computational and Theoretical Nanoscience计算与理论纳米科学1.256IEEE TRANSACTIONS ON ADVANCED PACKAGINGIEEE高级封装会刊1.253Materials Characterization材料表征1.225International Journal of Refractory Metals & Hard Materials耐火金属和硬质材料国际杂志1.221Physica Status solidi A-Applied Research固态物理A——应用研究1.205PHASE TRANSITIONS相变1.201Journal of Thermal Spray Technology热喷涂技术杂志1.2International Journal of Nanotechnology纳米工程1.184Journal of Materials Science材料科学杂志1.181Journal of Vacuum Science & Technology A-VACUUM Surfaces and Films真空科学与技术A真空表面和薄膜1.173PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC RESEARCH固态物理B—基础研究1.166MATERIALS SCIENCE IN SEMICONDUCTOR PROCESSING半导体加工的材料科学1.158 International Journal of Fracture断裂学报1.147Journal of Materials Processing Technology材料加工技术杂志1.143Metals and Materials International国际金属及材料1.139IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICSIEEE磁学会刊1.129Vacuum真空1.114Journal of Applied Electrochemistry应用电化学1.111Materials & Design材料与设计1.107JOURNAL OF PHYSICS AND CHEMISTRY OF SOLIDS固体物理与化学杂志1.103Journal of Experimental Nanoscience实验纳米科学1.103POLYMER COMPOSITES聚合物复合材料1.054Journal of Materials Science-Materials in Electronics材料科学杂志—电子材料1.054Journal of Composite Materials复合材料杂志1.034Journal of the Ceramic Society of Japan日本陶瓷学会杂志1.023JOURNAL OF ELECTROCERAMICS电子陶瓷杂志0.99ADVANCES IN POLYMER TECHNOLOGY聚合物技术发展0.979IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIESIEEE元件及封装技术会刊0.968Journal of Porous Materials多孔材料0.959IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTOR MANUFACTURINGIEEE半导体制造会刊0.957 CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS结构与建筑材料0.947Journal of Engineering Materials and Technology-Transactions of The ASME工程材料与技术杂志—美国机械工程师学会会刊0.938FATIGUE & FRACTURE OF ENGINEERING MATERIALS & STRUCTURES工程材料与结构的疲劳与断裂0.934IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITYIEEE应用超导性会刊0.919ACI STRUCTURAL JOURNAL美国混凝土学会结构杂志0.895Materials Science and Technology材料科学与技术0.894Materials and Structures材料与结构0.892Reviews on Advanced Materials Science先进材料科学评论0.891International Journal of Thermophysics热物理学国际杂志0.889JOURNAL OF ADHESION SCIENCE AND TECHNOLOGY粘着科学与技术杂志0.869Journal of Materials Science & Technology材料科学与技术杂志0.869High Performance Polymers高性能聚合物0.86BULLETIN OF MATERIALS SCIENCE材料科学公告0.858Mechanics of Advanced Materials and Structures先进材料结构和力学0.857PHYSICA B物理B0.822EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL-APPLIED PHYSICS欧洲物理杂志—应用物理0.822 CORROSION腐蚀0.821International Journal of Materials Research材料研究杂志0.819JOURNAL OF NONDESTRUCTIVE EVALUATION无损检测杂志0.808METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS B-PROCESS METALLURGY ANDMATERIALS冶金和材料会刊B—制备冶金和材料制备科学0.798Materials Transactions材料会刊0.753Aerospace Science and Technology航空科学技术0.74Journal of Energetic Materials金属学杂志0.723Advanced Powder Technology先进粉末技术0.716Applied Composite Materials应用复合材料0.712Advances in Applied Ceramics先进应用陶瓷0.708Materials and Manufacturing Processes材料与制造工艺0.706Composite Interfaces复合材料界面0.69JOURNAL OF ADHESION粘着杂志0.685INTERNATIONAL JOURNAL OF THEORETICAL PHYSICS理论物理国际杂志0.675JOURNAL OF NEW MATERIALS FOR ELECTROCHEMICAL SYSTEMS电化学系统新材料杂志0.67 Journal of Thermophysics and Heat Transfer热物理与热传递0.647Materials and Corrosion-Werkstoffe Und Korrosion材料与腐蚀0.639RESEARCH IN NONDESTRUCTIVE EVALUATION无损检测研究0.630JOURNAL OF COMPUTER-AIDED MATERIALS DESIGN计算机辅助材料设计杂志0.605 JOURNAL OF REINFORCED PLASTICS AND COMPOSITES增强塑料和复合材料杂志0.573ACI MATERIALS JOURNAL美国混凝土学会材料杂志0.568SEMICONDUCTORS半导体0.565FERROELECTRICS铁电材料0.562INTERNATIONAL JOURNAL OF MODERN PHYSICS B现代物理国际杂志B0.558MATERIALS RESEARCH INNOVATIONS材料研究创新0.54GLASS TECHNOLOGY -PART A玻璃技术0.529JOURNAL OF MATERIALS IN CIVIL ENGINEERING土木工程材料杂志0.526NEW DIAMOND AND FRONTIER CARBON TECHNOLOGY新型金刚石和前沿碳技术0.500 SCIENCE IN CHINA SERIES E-TECHNOLOGICAL SCIENCES中国科学E技术科学0.495 ATOMIZATION AND SPRAYS雾化和喷涂0.494SYNTHESE合成0.477HIGH TEMPERATURE高温0.469Journal of Phase Equilibria and Diffusion相平衡与扩散0.457INORGANIC MATERIALS无机材料0.455MECHANICS OF COMPOSITE MATERIALS复合材料力学0.453BIO-MEDICAL MATERIALS AND ENGINEERING生物医用材料与工程0.446PHYSICS AND CHEMISTRY OF GLASSES玻璃物理与化学0.429JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY-MATERIALS SCIENCE EDITION武汉理工大学学报-材料科学版0.424ADVANCED COMPOSITE MATERIALS先进复合材料0.404Journal of Materials Engineering and Performance材料工程与性能杂志0.403Solid State Technology固体物理技术0.400FERROELECTRICS LETTERS SECTION铁电材料快报0.375JOURNAL OF POLYMER MATERIALS聚合物材料杂志0.373JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS无机材料杂志0.37GLASS SCIENCE AND TECHNOLOGY-GLASTECHNISCHE BERICHTE玻璃科学与技术0.365 POLYMERS & POLYMER COMPOSITES聚合物与聚合物复合材料0.355Surface Engineering表面工程0.354RARE METALS稀有金属0.347HIGH TEMPERATURE MATERIAL PROCESSES高温材料加工0.34JOURNAL OF TESTING AND EVALUATION测试及评价杂志0.324AMERICAN CERAMIC SOCIETY BULLETIN美国陶瓷学会公告0.324MATERIALS AT HIGH TEMPERATURES高温材料0.323MAGAZINE OF CONCRETE RESEARCH混凝土研究杂志0.315SURFACE REVIEW AND LETTERS表面评论与快报0.309Journal of Ceramic Processing Research陶瓷处理研究0.294JSME INTERNATIONAL JOURNAL SERIES A-SOLID MECHANICS AND MATERIAL ENGINEERIN日本机械工程学会国际杂志系列A－固体力学与材料工程0.291MATERIALS TECHNOLOGY材料技术0.288ADVANCED COMPOSITES LETTERS先进复合材料快报0.27HIGH TEMPERATURE MATERIALS AND PROCESSES高温材料和加工0.268INTEGRATED FERROELECTRICS集成铁电材料0.242MATERIALS SCIENCE材料科学0.226MATERIALS EVALUATION材料评价0.21POWDER METALLURGY AND METAL CERAMICS粉末冶金及金属陶瓷0.201RARE METAL MATERIALS AND ENGINEERING稀有金属材料与工程0.162 INTERNATIONAL JOURNAL OF MATERIALS & PRODUCT TECHNOLOGY材料与生产技术国际杂志0.157METAL SCIENCE AND HEAT TREATMENT金属科学及热处理0.157JOURNAL OF ADVANCED MATERIALS先进材料杂志0.14ADVANCED MATERIALS & PROCESSES先进材料及工艺0.129MATERIALS WORLD材料世界0.122SCIENCE AND ENGINEERING OF COMPOSITE MATERIALS复合材料科学与工程0.098 MATERIALS PERFORMANCE材料性能0.074。
人类的超导发现史
人类的超导发现史《阿凡达》中的哈利路亚悬浮山超导既不是电影里介绍的超级导弹，也不是电商里宣传的超导风扇、超导浴霸，而科幻世界《阿凡达》里奇妙的哈利路亚悬浮山，则是真正的超导的杰作。
电影里哈利路亚山中有一种名为“Unobt-ainum”（中译：不可获得的元素）的室温超导矿石，这种矿石通过排斥行星的地磁场来实现悬浮。
超导的英文名字叫superconductivity，全称为“超级导电” ，是20世纪最伟大的科学发现之一。
按照电阻率随温度变化的不同特性，介质材料可分为绝缘体、半导体、导体和超导体，超导指的是某些材料在温度降低到某一临界温度（或超导转变温度）以下时，电阻突然消失（零电阻效应），同时外磁场磁力线全部排出体外（完全抗磁性）的一种电磁现象。
具备以上特性的材料称为超导体。
超导到底是啥？超导的研究起于人们的一个疑问：超导材料的电阻随温度的持续下降会达到怎样的一种状态呢？大概就是这样啦科学家要解决这一个问题，首先需要得到更低的温度。
传统的低温环境主要依靠液化气体来实现，比如液氢的沸点是20 K（热力学温标中0 K对应着零下273摄氏度，20 K即相当于零下253摄氏度）。
1873年，来自荷兰莱顿大学的范德华创建了气体液化理论。
而到了1908年，同样来自荷兰莱顿大学的昂内斯等将最难液化的气体——氦气成功液化，并获得液氦的沸点为4.2 K。
液氦通过进一步节流膨胀技术可以获得低至1.5 K的低温环境。
甚至通过He3-He4，可以达到5mK（毫开）。
液态氦在温度下降至2.18K 时（HeⅡ），性质发生突变，成为一种超流体，能沿容器壁向上流动。
汞，常温下是液态，蒸发或电解就可以得到纯度极高的材料，堪称完美金属。
昂内斯等人测量金属汞在低温下的电阻时，惊讶地发现当温度降至4.2 K以下时，汞的电阻突然下降到仪器测量不到的最小值，基本可认为是零电阻态，第一个超导体——金属汞就此被发现，其超导临界温度Tc为4.2 K。
轻松入门超导体物理：重点知识点教案
超导体物理是材料科学中的一个重要分支，对于理解与利用超导体材料的特殊性质具有极大的意义。
然而由于其理论较为深奥，初学者常常很难摸索透彻。
针对这一问题，本文特别整理出了重点知识点及相关教案，给大家提供方便。
一、超导的基本概念超导物理的起源可以追溯到1911年荷兰物理学家海克·凡·德拉·杜克（Heike Kamerlingh Onnes）对汞的低温性质的研究。
当时他意外地发现在4.2K（即-268.95℃）以下的极低温度下，汞的电阻突然降为零。
这一现象就是超导（superconductivity），而呈现这种性质的物质被称为超导体。
超导是电阻消失的一种现象，它发生在特定的材料中，在临界温度以下，该材料的电阻为零。
同时超导还具有一些其他的特殊性质，例如它可以将磁场抵消掉、可以维持漂亮的稳定电流等。
因此，超导体常常被用来制造高效的电子设备，例如电感器、放大器和加速器等。
超导性质的解释涉及电子自由度的能量区间、电阻和超导相。
超导性质的产生还需要许多其他因素，包括电子的相互作用、材料的化学组成、材料结构的特殊性质以及温度等。
二、超导的典型特性超导体具有许多典型的特性，其中最突出的一些特性包括：1.零电阻：在超导温度下（即临界温度以下）超导体内的电流可以在不损耗电能的情况下持续流动。
2.零磁场：在超导状态下，超导体可以完全抵消磁场的影响，在其内部磁场一般为零。
3.超导态：在临界温度以下，超导材料的电阻瞬间下降为零，进入超导态。
4.马格努斯效应：当超导体受到施加的磁场时，它会产生一个竖直向上的力，这被称为马格努斯效应。
三、超导的应用与发展由于超导体具有极佳的电子特质和电场性质，所以已经广泛应用于各种领域，例如医疗技术、电子元器件、电传输、磁悬浮列车等。
此外，随着超导体物理学的发展，越来越多的超导体被发现和研究，比如近几年来大家所熟知的LaO$_{1-x}$F$_x$FeAs（1111）系和BaFe$_{2-x}$Co$_x$As$_2$（122）系等铁基超导体，以及伯利恒钪氧化物（BSCCO）等铜基超导体等。
超导材料发展历程及现行理论解释与应用.pptx
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发展历程
• 1911年，荷兰科学家H. K. Ones 利用低温技术研究金属的电阻特性时发现Hg在温度 低至4.2K时电阻降为零。后人把这种状态叫超导态。并把电阻突然降为零的温度 称为临界温度，记为Tc。
• 但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。 人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4.2K提高到铌 三锗的23．22K，才提高了19K,科学家们用乌龟来形容这个程度。
• 一个比较形象的理解：当一个电子在晶格中运动时，由于异性电荷相吸而导 致局域晶格畸变，当另外一个电子通过时，会感受到第一个电子通过时导致 的晶格畸变的影响，从而在两个电子之间产生间接吸引相互作用，这就是 “库珀对”，其总动量和总自旋为零。所有电子对在运动过程中能够保持 “步调一致”（相位相干，即相位相同），即使受到杂质等散射也将保持总 动量不变，从而在外加电场作用下能够不损失能量而运动——这种现象就是 超导。所以说，超导是微观量子凝聚态的宏观表现。
• （3）临界电流密度Jc：当通过超导体的电流密度超过临界电流密度Jc时， 超导体由超导体恢复为正常状态。临界电流密度Jc与温度、磁场强度有关。
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实验检验
为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一 个铅制圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间， 利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果 发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16 日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间 内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电 能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由 超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大， 感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯持 久电流实验。
的崔田教授组在“传统
高温超导体”的研究上
MgB_2超导电性的发现及其特性
MgB2超导电性的发现及其特性学生姓名：高宁学号：20095040202单位：物理电子工程学院专业：物理学指导老师：刘慧职称：实验师摘要：本文介绍了超导发展的历史和最有可能首先实现大规模工业应用的超导材超导电性的发现，详细介绍了MgB2中的超导电性的特性和研究现状，MgB2料MgB2的发现实现了高温超导技术的实用化进程。
关键词：超导; 二硼化镁; 晶体结构; 研究现状The found and characteristics of MgB2’s superconductivity Abstract：This article introduces the development history of superconductor and the found of MgB2’s superconductivity, MgB2 is a superconducting material, which is most probably to be firstly realized in large-scale industrial application. This article also describes the feature and characteristics of MgB2. The found of MgB2 realizes the superconducting technique’s practical applications.Key words：Superconducting,MgB2, Crystal structure, Research status引言自从在铜氧化物中发现了高转变温度的超导体以后，新的高温超导的研发引起了人们极大的兴趣，MgB2超导体以其39K的高转变点打破了Bardeen-Cooper-Schriefler 的理论预言[1]，为研究超导的微观机理提供了一种新型的材料。
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∂B = −∇ × E ∂t
设磁导率 μ = 1 ，积分可得 B = B0
由此得出结论：在完全理想的导体中不可能有随时间变化的磁场，即 原有的磁通量不会消失也不会增加，
加场
降温
去场
T ≤ Tc
降温
加场
去场
T ≤ Tc
理想导体中体内的磁通分布与加场的历史有关
如何理解理想导体体内的磁场保持不变？
• 在稳恒情况下，体内的 E = 0。所以当外场改变时，根据 Lenz 定 律，在材料表面便感应出一个感生电流，感应电流具有这样的方 向，就是感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变 化，即抵消外磁场的变化。 • 这个感生电流密度 j 不受到电场的作用，同时材料又是无阻的，所 以这个电流既不消失也不变化，永远能保持着材料内的磁场不变。 • 由于有持续电流的存在，在理想导体中，材料内部的磁场不随时间 变化。
超导发展简史
• 1957 年，J. Bardeen、L. V. Cooper、J. R. Schrieffer 发表了超导的微 观理论－BCS理论； • 1957 年，A. Abrikosov 发表了第二类超导体的理论，为超导体的强 电应用提供了理论基础； • 1962 年，B. D. Josephson 发现超导隧道效应，称为 Josephson 效 应，为超导体的弱电应用打开了大门； • 1986 年，Bednorz 和 Müller 发现高温超导体－LaBaCuO。 • 2008 年，Hosono 研究组发现第二类高温超导体－LaFeAsO1-xFx
二、理想导体的磁性
在超导体的抗磁性发现以前，人们一直认为在电阻为零时体系进 入了理想导体状态。在理想的导体中，在稳恒情况下，由于电阻率 ρ = 0，则电导率 σ = ∞，根据 Ohm 定理，电流密度为：
j = σE
因此，要使得 j 为有限值，只有 E = 0。 由 Faraday 感应定律知道，随时间变化的磁场在其周围产生电场：
中科院等离子所（合肥）托克马克装置（核聚变）上的磁体、杜瓦
参考资料： 张裕恒 编著《超导物理》 中国科技大学出版社 1997
§1 超导体的基本性质
一、零电阻现象
金属的电阻在低温下是如何变化的？
卡莫林·昂纳斯 (Kamerlingh Onnes ) (1853—1926)
荷兰著名的物理学家、超导现象的发现者、 低温物理学的奠基人； 1853年9月21日生于荷兰的格罗宁根； 1879年，在格罗宁根大学获得博士学位； 1882年，被任命为莱顿大学物理学教授和 物理实验室负责人； 1892－1894年建成了大型的液化氧、氮和空气 的工厂，并于1906年大量生产液氢； 1908年7月10日成功地液化了氦； 1911年，发现汞的超导电性； 1913年，由于对物质在低温状态下性质的研究以及液化氦气获得了诺贝尔物 理学奖。
I (t ) = I (0) exp( − Rt / L)
若 R=0，则：
持续电流的产生
LI + AB = Const.
即，总磁通量不变。
−A
dI dB = IR + L dt dt
• 1914年，Onnes 用 LR 回路电流衰减法确定出： Hg 的电阻率 ρ ≦10-18 Ωm (T < 4.2K) • 1962年，D. J. Quinn 用圆筒形 Pb 膜（减小电感）确定出： Pb 的 ρ ≦10-25 Ωm (T < 7.2K) 对比：正常金属能达到的低温电阻率 ρ = 10-11～10-10 Ωm -- 因此，可以确定超导体的电阻确实为 0。
低温的获得
280 pK
2mK
4.2 K
77 K
300K
超导技术中使用的致冷方式
• 液氮 LN2 • 液氦 LHe • 致冷机 77K 4.2K 5元/升 140元/升 价格昂贵
不同温区
氦液化器
超导应用领域：
• 在电工领域即强电中的应用。主要指电力系统中的应用，具有代表
性的有超导磁体、超导电力电缆等。
2. Meissner 效应
常用的是磁感应法：在一个长圆柱样品上绕一个线圈，并与冲击电流
计串联。当样品在正常态时加上磁 场 Ha //轴，加磁场时冲击电流计给 出一个冲击偏转 α，α 的大小正比 于进入样品的磁通量。然后冷却样 品，当温度下降经过 Tc 时，由于样 品变到超导态，样品内磁通全部排 出，冲击电流计又给出一个反向偏 转 α，此后样品处在超导态，无论 撤消或重新加上磁场，冲击电流计 均无偏转。
Upper: permanent magnet
Lower: superconductor
Schematic drawing of a HTSC-PM levitation system
五、描述超导磁性的两种方法
前面描述超导体磁性是曾认为磁导率 μ = 1，这和完全抗磁性的 μ = 0 相矛盾，这是因为存在两种描述方法： (1) μ = 1 这个描述方法中 B = μ0H 而电流 j 类似于交变场中感应的电流，且不随时间变化。磁矩 M 只是 由电流分布诱导出的量，并不具有 (B−μ0H) 的意义。 注意：B 和 H 之间没有不同，在超导体内二者都消失，因此从外部引 入的电流与加磁场感应的电流之间没有不同。 (2) μ = 0 这个描述方法中，H 被定义为 因为 B = 0，故 B = μ0(H+M) = μ0(1+χ)H
HTS-SQUID 心磁图仪
微波器件
高温超导薄膜的微波表面 电阻 Rs 远小于铜的 Rs 10GHz < 0.01 1GHz < 0.001 HTS 薄膜可以制备高性能 的各种微波器件， 具有极低损耗和极低噪声 的优良特性 。
高 温 超 导 滤 波 器 系 统
2004.3 起，清华大学研制的高温超导滤波器在唐山基站 投入商业运行。这是中国高温超导首次实际应用 。
超导电性（Superconductivity）
超导发展简史
• 1911年，荷兰物理学家 Kamerlingh Onnes 发现了 Hg 的超导电性； （R=0） • 1933年，W. Meissner 和 R. Ochsebfekd 发现了超导体的完全排磁通现 象，称为 Meissner 效应；（B=0） • 1930s－1950s之间发展了超导的唯象理论，包括： （1）二流体模型−热力学性质 （2）London 理论−电磁性质 （Pippard 理论； Ginzburg-Landau 理论）
超导合金与化合物
--低熔点合金： Pb-In (3.4−7.3K)；Pb-Bi (8.7K)；Pb-Tl (5.8K)； Pb-Sn (4−7K) ；In-Sn (3−7K)；各种低熔点焊料； --高熔点合金： Mo-50Re (12.6K)；Nb-15Hf (9.8K)；Nb-35Ti (10K)； Nb-25Zr (11K) --化合物： NbC (9K)； TaC (10K)； MoC (14K)； NbN (17K) ； V3Si (17K)； V3Ga (16.8K)； Nb3Sn (18K)； Nb3Al(18.8K)； Nb3Ge(23.2K)； PdH (15K)； PdCuH (16.6K)； PbMo6S8 (14.7K)； LiTi2O4 (13.7K)
临界磁场 Hc
Onnes 发现超导体后，就立刻想做一个没有耗损的磁体，但他发 现（1914年）用一磁场加到超导体之后，当磁场达到某一值时，超导 体就恢复了电阻，回到正常态。使电阻恢复的磁场值就称之为临界磁 场。
H c = H c (0)[1 − (T / Tc ) 2 ]
Hc 和温度的关系示意图
习 题
三、超导体的 Meissner 效应
1933年，Meissner 发现，在超导转变过程中，表现出抗磁行为， 也就是说，超导体把磁力线排斥出体外。这一效应称之为 Meissner 效 应（完全抗磁性），是超导转变的又一个特征。使人们对超导态的本 质有了一个全新的认识，即超导体与理想导体有着本质上的差别。 材料进入超导态后，不允许磁场存在于它的体内，这样，超导体 在磁场中的行为，将与加磁场的次序无关，或者说与历史无关，不同 于理想导体 。
高温超导输电电缆 超导电动机
630kVA三相高温超导变压器 中科院电工所研制
超导电磁储能
－利用超导线圈将电磁能储存起来， 需要时再将电磁能返回电网。 优点： 1. 长期无损耗地储存能 量，其转换效率95%； 2. 响应速度（毫秒 级）； 3. 可建成大功率和大能 量系统； 4. 除真空和制冷系统外 没有转动部分，使用寿 命长； 5. 建造不受地点限制， 维护简单、污染小。
超导应用领域：
• 在超导悬浮方面的应用，如超导磁浮列车、无接触输运、超导储能
系统、无磨擦悬浮轴承等。
Upper: permanent magnet Lower: superconductor
超导应用领域：
• 超导受控热核反应装置。
有效直径 有效高度 真空度 最大电流 制冷量
3.1 m 4.7 m 1 × 10-5 τ 30 kA 500W/4.5 k
限流器（FCL）
10.5 kV/1.5kA高温超导限流器的 超导线圈
中科院电工所研制
超导应用领域：
• 在电子领域即弱电中的应用。主要指信息技术领域中的应用，具有
代表性的有A/D变换、超导计算机、以及弱磁探测等方面的应用。
7T磁学测量系统MPMS （超导量子干涉仪）
SQUID 器件的核心部分是包含一个 或两个弱连接的超导环。
χ = −1
式中 M 被认为是真实的磁矩。 与外加磁场有关的电流永远不出现，电流只能是外部引入的。
六、临界温度 Tc 和临界磁场 Hc
材料的电阻突然消失、从而进入超导态的温度叫临界温度 Tc，这 是一个物质常数。
一些元素超导体
--常压下元素超导体共 28 个----Hg (4.2K); Pb (7.2K)； Sn (3.7K)； In (3.4K)； Al (1.2K) ； Tl (2.4K) ； V (5.3K)； Nb (9.2K)； Ta (4.5K)； La (6.0K, β) --高压下的超导体—13 个 Ge (5.4K, 12GPa)； Si (7.1K, 12GPa)； Bi (7.1K, 3GPa)； Bi (8.3K, 8GPa)；