上海交通大学：《材料与文明》课程教学资源（学生作业）超导材料的发展与应用

超导材料的发展与应用 外国语学院 干忆浸 5141429003 http://v.youku.com/v show/id XMzA5NikzNzEy.html

超导材料的发展与应用 外国语学院 干忆旻 5141429003 http://v.youku.com/v_show/id_XMzA5NjkzNzEy.html

·1911年，荷兰物理学家昂尼斯(18531926) 发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温 度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近 时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合 金和化合物，在温度降到绝对零度附近某 - 特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法 测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现 象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变 为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或 临界温度)TC

 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926) 发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温 度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近 时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合 金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一 特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法 测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现 象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变 为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或 临界温度)TC

·1973年，人们发现了超导合金一铌锗合金， 其临界超导温度为23.2K,该记录保持了13年。 ·1986年，设在瑞士苏黎世的美国1BM公司的 研究中心报道了一种氧化物LaBaCuO4(镧 一 钡-铜一氧)具有35K的高温超导性，打破了 传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起 世界科学界的轰动

 1973年，人们发现了超导合金――铌锗合金， 其临界超导温度为23.2K，该记录保持了13年。  1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的 研究中心报道了一种氧化物LaBaCuO4（镧－ 钡－铜－氧）具有35K的高温超导性，打破了 传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念，引起 世界科学界的轰动

·1986年高温氧化物超导体的出现，突破了温 度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了 液氮温区。同液氦相比，液氮是一种非常经 济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程 应用带来了极大的方便。另外，高温超导体 都具有相当高的上临界场，能够用来产生20 高温超导体的 T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超 发现 导材料的不足之处。 ·1987年，美国华裔科学家、休斯顿大学教授 朱经武以及中国科学家赵忠贤相继研制出钇 一钡一铜一氧系材料，临界超导温度提高到 90K（-185.15℃)以上，打破液氮的“温度 壁垒”(77K)

高温超导体的 发现  1986 年高温氧化物超导体的出现，突破了温 度壁垒，把超导应用的温度从液氦提高到了 液氮温区。同液氦相比，液氮是一种非常经 济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程 应用带来了极大的方便。另外，高温超导体 都具有相当高的上临界场，能够用来产生20 T 以上的强磁场，这正好克服了常规低温超 导材料的不足之处。  1987年，美国华裔科学家、休斯顿大学教授 朱经武以及中国科学家赵忠贤相继研制出钇 －钡－铜－氧系材料，临界超导温度提高到 90K（﹣185.15℃）以上，打破液氮的“温度 壁垒”（77K）

0 在常压条件下 Be 在高压条件下 IB IE 19 Fe Co Ni Zn 37 Cd Ft Tal w Re os Ir 1o: 超导电性元素 钢系 目前已知的超导元素 在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如 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 (如图元素周期表中绿色方框所示)

超导电性元素 在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如 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 （如图元素周期表中绿色方框所示）

·1.零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为 零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在 超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不 衰减地维持下去。 超导材料的 0.15 Mercury 特性 superconducting transition 0.10 A zero R(Q) resistance statel! 0.05 R<10-52 Tc =4.2 K 4.1 4.2 4.3 4.4 Temperature(K)

超导材料的 特性  1.零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为 零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在 超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不 衰减地维持下去

2.完全抗磁性（迈斯纳效应）：超导材料 处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值 ,磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为 零。 超导材料的 B B AAAAAAAA 特性 T>Tc T<Tc

超导材料的 特性  2.完全抗磁性（迈斯纳效应）：超导材料 处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值 ，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为 零

·3约瑟夫森效应： ·在极薄绝缘层（厚度约为1nm)隔开的两个超导体 断面处，电流可以穿过绝缘层。 ·只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时 将不产生电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧 道电流。 ·超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势 超导材料的 垒后仍保持为配对形式，这种不同于单电子隧道效 特性 应的新现象称为约瑟夫森效应。 10A

超导材料的 特性  3.约瑟夫森效应：  在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体 断面处，电流可以穿过绝缘层。  只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时 将不产生电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧 道电流。  超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势 垒后仍保持为配对形式，这种不同于单电子隧道效 应的新现象称为约瑟夫森效应

超导电缆 超导磁悬浮列车 超导体的应用可分 核磁共振成像仪 量于计算机 为三类：强电应用、 弱电应用和抗磁性 应用。强电应用即 大电流应用，包括 超导材料的 超导发电、输电和 9图 储能；弱电应用即 应用 超导磁体 电子学应用，包括 超导计算机、超导 SQUID 超导量子此特 天线、超导微波器 件等；抗磁性应用 主要包括磁悬浮列 车和热核聚变反应 欧洲大型强子对撞机，HC上的手机基站信号接收条统超导滤波器 堆等。 ATLAS:探测器与超导碰体

超导材料的 应用  超导体的应用可分 为三类：强电应用、 弱电应用和抗磁性 应用。强电应用即 大电流应用，包括 超导发电、输电和 储能；弱电应用即 电子学应用，包括 超导计算机、超导 天线、超导微波器 件等；抗磁性应用 主要包括磁悬浮列 车和热核聚变反应 堆等

·超导输电电缆： ·将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输 电线路在超导状态下运行。 超导电力传输 零电阻的应 ·超导电力传输的优点： 用) 超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，电能消 耗仅为所输送电能的万分之几。 ·传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超 导线就不需要升压降压设备。 重量轻、体积小，输送大功率的超导传输线可铺设 在地下管道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔

超导电力传输 (零电阻的应 用）  超导输电电缆：  将超导电缆放于液氦冷却介质管道内，保证整条输 电线路在超导状态下运行。  超导电力传输的优点：  超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍,电能消 耗仅为所输送电能的万分之几。  传统输电需要高压，因而有升压，降压设备。用超 导线就不需要升压降压设备。  重量轻、体积小，输 送大功率的超导传输线可铺设 在地下管道内，从而省去了许多传输线的架设铁塔