專題應(yīng)用：超導(dǎo)材料.ppt

超導(dǎo)材料福建農(nóng)林大學(xué)材料科學(xué)與工程系 超導(dǎo)材料主要內(nèi)容 本節(jié)需掌握的重點 超導(dǎo)體兩個基本特征 零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng) 超導(dǎo)體零電阻和完全抗磁性的原因 超導(dǎo)體的三個臨界條件 超導(dǎo)體的兩種基本類型 超導(dǎo)體的主要應(yīng)用 1 4 1 零電阻現(xiàn)象 常規(guī)導(dǎo)體電阻的成因 常規(guī)導(dǎo)體在傳輸電流時 電子會與導(dǎo)體原子組成的晶體點陣發(fā)生相互作用 將能量傳遞給晶格原子 晶格原子振動產(chǎn)生熱量 造成電能的損失 常規(guī)導(dǎo)體電阻的負(fù)面作用 電力傳輸中電阻發(fā)熱 浪費資源 增加用電成本 超導(dǎo)零電阻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 1 4 1 零電阻現(xiàn)象 1911年荷蘭的卡茂林 昂尼斯教授用液氦將水銀冷凝成固態(tài)導(dǎo)線 40 并將溫度降低到 269 左右時 水銀導(dǎo)線的電阻突然完全消失 首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象 邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 1933年德國物理學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)態(tài)下 超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場強度H總為零 即具有完全抗磁性 這種現(xiàn)象就稱為邁斯納效應(yīng) 1 4 2 邁斯納效應(yīng) 完全抗磁性的原因 1 4 2 邁斯納效應(yīng) 常規(guī)導(dǎo)體 超導(dǎo)體 外加磁場使超導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流 該電流在超導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的磁場和外磁場抵消 使超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零 零電阻現(xiàn)象是超導(dǎo)現(xiàn)象的必要條件 但是電阻為零叫理想導(dǎo)體 超導(dǎo)體 零電阻現(xiàn)象和完全抗磁性是超導(dǎo)體兩個最基本 而且互相獨立的屬性 只有同時具有零電阻和完全抗磁性才能稱為超導(dǎo)體 1 4 2 邁斯納效應(yīng) 1 4 2 邁斯納效應(yīng) 北京有色金屬研究總院研制的超導(dǎo)材料顯示的邁斯納效應(yīng) 1 4 3 超導(dǎo)隧道效應(yīng) 量子隧道效應(yīng) 電子具有穿過比其自身能量還要高的勢壘的本領(lǐng) 當(dāng)然 穿透幾率隨勢壘的高度和寬度的增加而迅速減小 例如 在兩塊常規(guī)導(dǎo)體Al中間夾入一層很薄的勢壘 10 10m的絕緣層 在兩塊Al之間加上電勢差 就有電流流過絕緣層 該電流是有電阻的 這是正常導(dǎo)體的量子隧道效應(yīng) 約瑟夫森預(yù)言1962年 劍橋大學(xué)的博士后 在極薄絕緣層 厚度約為1nm 隔開的兩個超導(dǎo)體斷面處 電流可以穿過絕緣層 只要電流不超過某一臨界值 則電流穿過絕緣層時將不產(chǎn)生電壓 該電流是沒有電阻的 稱為超導(dǎo)隧道電流 超導(dǎo)隧道電流與庫柏電子對相關(guān) 且電子對穿越勢壘后仍保持為配對形式 這種不同于單電子隧道效應(yīng)的新現(xiàn)象稱為約瑟夫森效應(yīng) 1 4 3 超導(dǎo)隧道效應(yīng) 1 4 4 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因 當(dāng)在超導(dǎo)臨界溫度以下時 通過晶格振動 聲子 為媒介的間接作用使電子之間產(chǎn)生某種吸引力 克服庫倫排斥從而導(dǎo)致自由電子將不再無序地 單獨行動 并形成 電子對 BCS理論 BCS理論不能解釋30K以上的超導(dǎo)現(xiàn)象 特別是高溫超導(dǎo) 電子對概念 當(dāng)溫度TTc時 熱運動使庫珀對被拆散為正常電子 超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài) 1 4 4 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因 聲子的交互作用使得庫倫排斥的兩個電子產(chǎn)生吸引形成電子對 兩個電子組成電子對后 其中一個即使受到晶格振動或雜質(zhì)的阻礙 另一個電子也會起調(diào)節(jié)作用 使電子通路不受影響 從而產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象 溫度對超導(dǎo)電性的影響 溫度愈低 結(jié)成的電子對愈多 電子對的結(jié)合愈牢固 超導(dǎo)電性越顯著 溫度越高 電子對因受熱運動的影響而遭到破壞 就失去了超導(dǎo)性 1 4 4 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因 BCSTheory 1957 解釋了超導(dǎo)電性現(xiàn)象的本質(zhì)Bardeen Cooper Schrieffer分享了1972年Nobel物理學(xué)獎 1 4 4 產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 溫度T 臨界溫度Tc 磁場強度HHc的磁場作用于超導(dǎo)體時 磁力線將穿入超導(dǎo)體 超導(dǎo)態(tài)被破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài) 電流密度J 臨界電流密度Jc同時 電流密度產(chǎn)生的磁場與外加磁場的矢量和應(yīng)小于臨界磁場強度Hc 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 超導(dǎo)臨界參數(shù)之間的關(guān)系 三個性能指標(biāo) 相互制約 一般來說 指標(biāo)越高越好 Jc 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 超導(dǎo)臨界溫度Tc 超導(dǎo)體從常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度 即電阻突然變?yōu)榱銜r的溫度 由于組織結(jié)構(gòu)不同 超導(dǎo)臨界溫度不是一個特定的數(shù)值 而是跨越一個溫度區(qū)域 因此實際超導(dǎo)材料的臨界溫度用四個參數(shù)表征 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 實際超導(dǎo)材料的臨界溫度參數(shù) 超導(dǎo)材料的臨界溫度 起始轉(zhuǎn)變溫度Tc onset 零電阻溫度Tc R 0 轉(zhuǎn)變溫度寬度 Tc 中間臨界溫度Tc mid 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 超導(dǎo)臨界磁場強度Hc 對于超導(dǎo)體 當(dāng)外加磁場足夠強時 會破壞其超導(dǎo)性 破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小的磁場強度稱為超導(dǎo)臨界磁場強度 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 超導(dǎo)臨界磁場強度Hc 臨界磁場強度為溫度的函數(shù) 表達式為 Hc0為絕對零度時的臨界磁場 T Hc Hc0 Tc 0 1 4 5 超導(dǎo)體的臨界條件 超導(dǎo)臨界電流Jc 破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小電流密度 J I A 單位A m2超導(dǎo)臨界電流與臨界溫度的關(guān)系 1 4 6 第I類和第II類超導(dǎo)體 第I類超導(dǎo)體只有一個臨界磁場Hc 當(dāng)HHc時 正常態(tài) 常溫下具有良好導(dǎo)電性的純金屬 如鋁 鋅 錫等 熔點較低 質(zhì)地較軟 亦被稱作 軟超導(dǎo)體 臨界電流密度和臨界磁場較低 沒有很好的實用價值 第II類超導(dǎo)體有兩個臨界磁場當(dāng)HHc2時 正常態(tài) 釩 鈮 鉭和大多數(shù)超導(dǎo)合金及超導(dǎo)化合物 第II類超導(dǎo)體比第I類超導(dǎo)體有更高的臨界參數(shù) 1 4 6 第I類和第II類超導(dǎo)體 1 4 7 金屬超導(dǎo)材料的類型 金屬元素超導(dǎo)體 合金超導(dǎo)體 金屬化合物超導(dǎo)體 除釩 鈮 鉭大多數(shù)金屬元素都是第I類超導(dǎo)體 釩 鈮 鉭為第II類超導(dǎo)體 絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體 絕大多數(shù)為第II類超導(dǎo)體 1 4 7 金屬超導(dǎo)材料的類型 金屬元素超導(dǎo)體 常壓下有28種超導(dǎo)金屬元素 超導(dǎo)臨界溫度Tc排行為 鈮 9 24K 锝 7 8K鉛 7 197K鑭 6 06K釩 5 4K鉭 4 47K常壓下不表現(xiàn)超導(dǎo)性的金屬元素 高壓下可能呈現(xiàn)超導(dǎo)性 1 4 7 金屬超導(dǎo)材料的類型 合金超導(dǎo)體 成本低 便于大量生產(chǎn) Ni Ti合金目前使用最廣泛的合金超導(dǎo)材料 制造技術(shù)成熟 性能穩(wěn)定 成本低 用于磁流體發(fā)電機大型磁體的理想材料 Ni Zr合金最早使用的合金超導(dǎo)材料 具有低磁場 高電流的優(yōu)點 高磁場下能夠承受很大的臨界電流 制造成本較高 逐漸被Ni Ti合金取代 兩類常見的超導(dǎo)合金為 1 4 7 金屬超導(dǎo)材料的類型 金屬化合物超導(dǎo)體 三個臨界參量 Tc Hc Jc 均較高 是性能良好的強磁場材料 具有代表性的為Nb3Sn超導(dǎo)化合物 是制造8 0 15 0T超導(dǎo)磁體的主要材料 0K Allmotionceases 100oC 373K 0oC 273K 135oC 138K CurrentHighTemperatureSuperconductors 77K Nitrogenliquifies 4K Heliumliquifies 1 4 8 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史 1 4 8 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史 1911年 Hg Tc 4 2K1911 20年代 24種純金屬 Nb Tc 9 13K 1952 硅化釩 Tc 17K1957年 BCS理論1960 第II類超導(dǎo)體鈮錫合金1973年 Nb3Ge Tc 23 2K1987年 Y Ba Cu O Tc 90K 超過液氮溫度77K1993年 Hg Ba Ca Cu O Tc 135K 高壓下164K 1 4 8 超導(dǎo)材料的發(fā)展歷史 超導(dǎo)材料的發(fā)展及其臨界溫度 釔鋇銅氧化物 YBa2Cu3O7 x 超導(dǎo)體 高溫超導(dǎo)材料的例子 1987年朱經(jīng)武 吳茂昆 趙忠賢等發(fā)現(xiàn) Tc 90K 超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度打破了液氦 解決了阻礙超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的瓶頸問題 美國貝爾實驗室采用快中子輻射氧化釔鋇銅單晶體 使臨界電流密度提高了100倍 達6 10 A cm2 美國馬薩諸薩理工學(xué)院用在超導(dǎo)材料中摻入銀等加熱處理的方法 解決了材料的脆弱問題 使強度比超導(dǎo)陶瓷提高了10倍 適用于作輸電線 我國則早已制成零電阻為83 7K的超導(dǎo)材料和零電阻為77K的超導(dǎo)薄膜 高溫超導(dǎo)材料的例子 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 零電阻效應(yīng) 完全抗磁性 超導(dǎo)隧道效應(yīng) 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)電力傳輸 零電阻的應(yīng)用 超導(dǎo)輸電電纜 將超導(dǎo)電纜放于液氦冷卻介質(zhì)管道內(nèi) 保證整條輸電線路在超導(dǎo)狀態(tài)下運行 超導(dǎo)電力傳輸?shù)膬?yōu)點 超導(dǎo)輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍 電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾 傳統(tǒng)輸電需要高壓 因而有升壓 降壓設(shè)備 用超導(dǎo)線就不需要升壓降壓設(shè)備 重量輕 體積小 輸送大功率的超導(dǎo)傳輸線可鋪設(shè)在地下管道內(nèi) 從而省去了許多傳輸線的架設(shè)鐵塔 從內(nèi)到外 依次為 管狀支撐物 內(nèi)通液氮 超導(dǎo)導(dǎo)體層 為電纜載流導(dǎo)體 電氣絕緣層 工作在液氮低溫環(huán)境下 超導(dǎo)屏蔽層 為超導(dǎo)帶材繞制 液氮回流層 與管狀支撐物內(nèi)的液氮構(gòu)成液氮回流循環(huán) 熱絕緣層 為真空隔熱套件 常規(guī)電纜屏蔽層和護層 與常規(guī)電力電纜類似 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 2004年4月19日在昆明普吉變電站投入運行 7月10日正式并網(wǎng) 是我國第一組 世界上第三組并網(wǎng)試運行的超導(dǎo)電纜 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)發(fā)電機 強磁場的應(yīng)用 在超導(dǎo)體截面較小的線圈通以大電流 形成強磁場 這就是超導(dǎo)磁體 超導(dǎo)發(fā)電機的優(yōu)點 磁場強度大 磁場強度達20萬高斯 常規(guī)磁體最高10萬高斯 耗電少 不產(chǎn)生熱量 除維持低溫外不消耗電能 通入一次電流就可以一勞永逸 重量輕 5萬高斯的常規(guī)電磁體重達20噸 而用超導(dǎo)磁體重量還不到1千克 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)儲能 零電阻效應(yīng)的應(yīng)用 用電需求在時間上是不平衡的 白天晚上不一樣 最佳的解決辦法就是有一種儲存和調(diào)節(jié)手段 然而 電力的儲藏非常困難 充電 合上開關(guān)S1 打開S2和S3時 超導(dǎo)線圈Ls充電 儲能 合上S2 打開S1 在電路2中就有一個持續(xù)電流 放電 合上S3 打開S2 儲存的電能就傳輸?shù)酵獠控?fù)載 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)儲能基本原理示意圖 R S1 S2 S3 負(fù)載 電源 Ls 超導(dǎo)溫度 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)磁懸浮列車是運用超導(dǎo)體的完全抗磁性 使列車完全脫離軌道而懸浮行駛 成為 無輪 列車 超導(dǎo)磁懸浮列車 兩種磁懸浮列車系統(tǒng) a 常導(dǎo)磁吸型 b 超導(dǎo)磁斥型 日本開發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV于1997年12月在山梨縣的試驗線上創(chuàng)造出每小時550公里的世界最高紀(jì)錄 日本超導(dǎo)磁斥型 懸浮氣隙較大 一般為100mm 上海常導(dǎo)磁吸型 懸浮氣隙較小 一般為10mm 上海磁懸浮列車時速430公里 從浦東龍陽路站到浦東國際機場 三十多公里只需6分鐘 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 核聚變反應(yīng)時 內(nèi)部溫度高達100 200M 沒有任何常規(guī)材料可以包容這些物質(zhì) 而超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場可以作為 磁封閉體 將熱核反應(yīng)堆中的超高溫等離子體包圍 約束起來 然后慢慢釋放 使受控核聚變能源成為入類取之不盡的新能源 受控?zé)岷司圩?人造太陽 我國研制的 托卡馬克 裝置 等離子體溫度高達5000萬度 能夠提供清潔無限的能源 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 超導(dǎo)量子干涉儀 SQUID 作為靈敏度極高的磁傳感器 超導(dǎo)量子干涉儀 即SQUID 在生物磁測量 大地測量 無損探傷等方面獲得了廣泛的應(yīng)用 5 8 6冷子管和超導(dǎo)計算機 冷子管是一種電流開關(guān) 當(dāng)控制線圈沒有電流 門線超導(dǎo) 當(dāng)控制線圈通過一定電流時 它的磁場使門線從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài) 門線的臨界磁場較低 臨界磁場較高的控制線 Nb 操作溫度稍低于門線臨界溫度 遠(yuǎn)低于控制線臨界溫度 冷子管與超導(dǎo)計算機 1 4 9 超導(dǎo)材料的應(yīng)用 在1935年 產(chǎn)生了第一個這種類型的開關(guān)元件 1956年巴克把這種裝置命名為 冷子管 并指出它可以用來開發(fā)超導(dǎo)計算機 當(dāng)時繞線冷子管的開關(guān)速度在10 5秒左右 功耗也較大 但與晶體管的第二代計算機相比 其優(yōu)越性還是