1、超导现象研究及应用超导现象研究及应用 郑艳明 0310237主要内容v超导现象的发现v超导体的两个性质和临界参数v第I,II类超导体v超导体的理论v超导体的应用 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时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零，对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪，即使当时最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。为了进一步证实这一发现，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。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处
2、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。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，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。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。1:超导现象的发现2:超导体的性质和临界参数v零电阻 将超导体冷却到某一
3、临界温度以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象 叫超导体零电阻v完全抗磁性 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“三个临界参数v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。v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。v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。v三者之间的关系曲线3：第I,II类超导体v第I类
4、超导体 第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性，由于其临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。v第II类超导体 除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。与第一类超导体的区别是:第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）；第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。第二类超导体又可以分为：理想第I
5、I类超导体 晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体 晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。真正适合实际应用的超导材料是非理想的第二类超导体。4：超导体的理论v伦敦方程 伦敦第一方程Ementjss2伦敦第一方程说明超导电流的时间变化率由电场决定。它表明了静场时超导体内电场为零，概括了零电阻效应。伦敦第二方程Bjenmss2 这一方程说明超导电流与磁场的关系。它说明：1.超导电流
6、是有旋的，可以在一环形回路中形成持续的超导电流。2.由这个方程可以证明，Js和B都只存在于超导体表面层内，即有迈斯纳效应称为穿透深度。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：pReRrARRrdltrj/43)(43),(0221menaslp1110其中，0并且假设为纯净超导体的相干长度（本征相干长度），l为电子的平均自由程v金兹堡朗道方程 1950年，金兹堡和朗道在二级相变的理论基础上综合超导体的电动力学，量子力学，热力学性质，建立了GL方程。GL方程的两个假设第一假设：超导电子的行为由有效波函数第一假设：超导电子的行为由有效波函数 来描写，来描
7、写，即超导电子密度：即超导电子密度：。其中。其中 为相位，对于正常为相位，对于正常相，相，。第二假设：第二假设：是标志系统有序化程度的序参量，其值由自由能密度是标志系统有序化程度的序参量，其值由自由能密度f在平衡态取极小值决定。超导态与正常态自由能之差可以展开为在平衡态取极小值决定。超导态与正常态自由能之差可以展开为 的幂级数。的幂级数。)()(2rnrs)(r)()()(risernr)(r0)(r)(r2)(rGL第一方程及边界条件0)(0)(2122AeinAeimGL第二方程及边界条件0)()(2)(0220esHrBnAmeimerBJ第一方程是 的运动方程，第二方程表述了超导电流的
8、构成与分布。()rvBCS超导理论 BCS理论的基本点是 电声相互作用 Cooperpairs 右面图示 a是无序态的分子气体 b是发生玻色凝聚的 cooper对气体BCS理论理论物理图像很清晰，它第一次较为完善的解释了常规的金属超导体（第一类超导体）的热力学性质及电磁性质。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，且作用势的大小不变。（能层范围为 ，为德拜频率。）实际上在晶体中与电子相关的相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
9、，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。DD5:超导体的应用v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。v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。核磁共振谱仪是基于核磁共振原理而研制出来的，它目前已广泛用于
10、物理、化学、生物、遗传和医药学等领域的研究中，具有高分辨率、高频率、高磁场等优点。v科学工程和实验室应用 科学工程和实验室是超导技术应用的一个重要方面，它包括高能加速器、核聚变装置等。高能加速器用来加速粒子产生人工核反应以研究物质内部结构，是基本粒子物理学研究的主要装备。核聚变装置是人们长期以来梦想解决能源问题的一个重要方向，其途径是将氘和氚加热后，使原子和弥散的电子成为一种等离子状态，并且在将这种高温等离子体约束在适当空间内的条件下，原子核就能够越过电子的排斥而互相碰撞产生核聚变反应。在这些应用中，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。v交通应用 超导技术在交通方面的应用是随着国民经济的发展，社会对交通运输的要求而产生的。超导磁悬浮列车利用磁悬浮作用使车轮与地面脱离接触而悬浮于轨道之上，并利用直线电机驱动列车运动的一种新型交通工具。由于超导磁悬浮列车的时速高达500公里/小时，并具有安全、噪音低和占地小等优点，因此被认为是未来理想的交通运输工具。v电力应用 高温超导体的发现使得超导技术的应用进一步延伸到电力工业中，也使人们期待那些过去无法实现的电力装备能够由于超导技术的应用而得到解决。超导技术在电力中的应用主要包括：超导电缆、超导限流器、超导储能装置和超导电机等。谢谢观看！Thanks
