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第七章超导和超流朱俊微电子与固体电子学院Superconductorandsuperfluidity—macro-quantumeffects超导现象超导体的基本电磁学性质约瑟夫森效应氧化物超导体和高温超导超流现象主要内容:“SuperconductivityisperhapsthemostremarkablephysicalpropertyintheUniverse”一、超导现象1908年,荷兰物理学家昂尼斯首次成功地把称为“永久气体”的氮液化,因而获得4.2K的低温源,为超导准备了条件,三年后即1911年,在测试纯金属电阻率的低温特性时,他又发现,汞的直流电阻在4.2K时突然消失,多次精密测量表明,汞柱两端压强降为零,他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态,并称为“超导态”。昂尼斯在1911年12月28日宣布了这一发现。但此时他还没有看出这一现象的普遍意义,仅仅当成是有关水银的特殊现象。具有超导电性的物质称为超导体,超导体的电阻突然消失的温度为临界温度,Tc。DiscoveredbyKamerlinghOnnesin1911duringfirstlowtemperaturemeasurementstoliquefyheliumWhilstmeasuringtheresistivityof“pure”Hghenoticedthattheelectricalresistancedroppedtozeroat4.2KIn1912hefoundthattheresistivestateisrestoredinamagneticfieldorathightransportcurrents1913氧化物超导材料1986年8月,IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物,它们在35K的温度下电阻接近于0,一下子把超导温度提高了12度;1986年12月,米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属),这种超导体把超导性的临界温度又提高到了38K;1987年初,美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料;钇-钡-铜-氧化物,使超导记录提高到了93K。在这个温度区上,超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却,Superconductivityinalloysandoxides1910193019501970199020406080100120140160Superconductingtransitiontemperature(K)HgPbNbNbCNbNV3SiNb3SnNb3Ge(LaBa)CuOYBa2Cu3O7BiCaSrCuOTlBaCaCuOHgBa2Ca2Cu3O9HgBa2Ca2Cu3O9(underpressure)LiquidNitrogentemperature(77K)1998年7月,北京有色研总院与其他单位共同研制成功中国第一根一米长一千安培铋系高温超导直流输电模型电缆。这项成果被两院院士列为当年中国十大科技进展。此次研制成功的高温超导带材长一百一十六米,宽三点六毫米,厚为零点二八毫米,以螺旋管方式缠绕,用四引线法全长度测量,77K液氮温度(零下一百六十九摄氏度)自场下临界电流达十二点七安培,各项技术指标均达到国内领先水平。德国Augsburg大学的科研人员近日宣布,其经过研究发明了一种新型的超导电材料,该超导电体具有强大的电力传输能力,如果其得以广泛应用的话,将大大降低电力输送线路的生产成本。这次他们研制的超导电材料,其实是利用现有的超导电材料制成,其工作性能良好,并且对生产工艺要求不高。超导技术的应用十分广泛,涉及输电、电机、交通运输、微电子和电子计算机、生物工程、医疗、军事等领域,这种新技术军民兼用,可研制出“双重”产品,将获得极大的社会效益和军事效益.超导体的应用①在电力工程方面的应用超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗,因而可节省大量能源;用超导线圈储存能量在军事上有重大应用,超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗,从而导致电工领域的重大变革.下个世纪初高温超导材料在电力方面的应用将获得突破性的进展,在输电电缆、限流器、变压器等电力设备上都将有超导应用的身影。液氮高温超导材料以其相对比较高的温度要求,能够更容易实现,对电力应用来说,其推动较为明显。若把超导磁体运用到发电机、电动机上就可以较好地解决人类与日俱增的用电需求。目前发电机单机功率可达100万kW/H,到21世纪初需要增加到更大。发电机的输出容量与磁感应强度、电枢电流密度的乘积成正比。用超导磁体代替电磁铁,磁感应强度和电流密度可分别提高许多倍。因此,在下一个世纪的电机中,电磁铁将逐步被超导磁体取代。动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车,车辆不受地面阻力的影响,可高速运行,车速达500km/h以上,若让超导磁悬浮列车在真空中运行,车速可达1600km/h,利用超导体制成无摩擦轴承,用于发射火箭,可将发射速度提高3倍以上.70年代超导列车成功地进行了载人可行性试验。超导列车是在车上安装强大的超导磁体,地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时,车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极,使两者的斥力将车子浮出地面。车辆在电机牵引下无摩擦地前进,时速可高达500千米。②超导技术在交通运输方面的应用我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备,而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧,车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时,就会产生一个移动的电磁场,因而在列车导轨上产生磁波,这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力,正是这种推力推动列车前进。1987年日本铁道综合技术研究所的“MLU002”号磁悬浮实验车开始试运行;1991年3月日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。1991年10月日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培,为过去的3倍多,达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。1992年1月27日第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船“大和”1号在日本神户下水试航。超导船由船上的超导磁体产生强磁场,船两侧的正负电极使水中电流从船的一侧向另一侧流动,磁场和电流之间的洛化兹力驱动船舶高速前进。这种高速超导船直到目前尚未进入实用化阶段,但实验证明,这种船舶有可能引发船舶工业爆发一次革命,就像当年富尔顿发明轮船最后取代了帆船那样。另一方面,自1987年4月开始,超导体研究的重心转向超导体机制的理论探索和应用技术的开发。1990年4月北京有色金属研究总院成功制成了2T(特拉斯)强磁场下,临界电流密度2.38×104A/cm2;7月上海冶金所采用熔融结构法制成钇钡铜氧块状超导材料,在77K,2.5T磁场下电流密度超过4×104A/cm2,在世界处于领先地位。美国贝尔实验室采用快中子辐射氧化钇钡铜单晶体,使临界电流密度提高了100倍,达6×105A/cm2,美国马萨诸萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法,解决了材料的脆弱问题,使强度比超导陶瓷提高了10倍,适用于作输电线。我国则早已制成零电阻为83.7K的超导材料和零电阻为77K的超导薄膜。③超导技术在电子工程方面的应用用超导技术制成各种仪器,具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点,如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量,并可用于地震预报。应用超导体制成计算机元件,开关速度可达到10-12s,比半导体快1000倍左右,而功耗仅为微瓦级,体积比半导体元件小1000倍.用超导芯片制成超级计算机速度快、容量大、体积小、功耗低,美国IBM公司研制的一台运速为8000万次的超导计算机,体积只有电话机那么大。④超导技术在生物医疗方面的应用超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术,可分辨早期肿瘤癌细胞等,还可做心电图,脑磁图、肺磁图,研究气功原理等。⑤超导技术在军事上的应用超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机,推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力,在航海中的应用,可大大减小甚至没有噪音,推进速度快,可大大提高舰艇的生存、作战能力,超导计算机应用于C3I指挥系统,可使作战指挥能力迅速改善提高等等。超导技术在军事上有着非常广泛的应用前景,随着超导技术的日益成熟,有朝一日海军潜艇的设计会发生根本性的变革,出现比今天的潜艇要先进的多的超导潜艇。其外形尺寸可能只有今天潜艇的一半,但所装备的数量将增加一倍;航速将会提高。而噪音却大大降低而且超导体在传输过程中不会损失电力。同时,超导技术在解决实际应用问题后,部分潜艇将采用电力推进系统,常规潜艇将有可能采用封闭式循环的热气机动力,从而结束常规潜艇水下航行单纯依赖蓄电池提供能量的时代。目前,法国海军正在研制一种全动力潜艇,即是一种隐蔽性能强、效率高、节能的电动舰艇,预计将于10年后问世。二、超导体的基本电磁性质1.零电阻现象当温度低于液氦的正常沸点时,水银线的电阻突然跌落到零,叫零电阻现象或超导电现象,具有这种超导电性物体叫超导体.超导体的电阻准确为零,因此一旦它内部产生电流后,只要维持超导状态不变,其电流就不会减小。这种电流为持续电流。有一次,有人在超导铅环中激发了几百安培的电流,在持续两年半的时间内没有发现可观察到的电流变化。如果不是撤掉了维持低温的液氦装置,此电流可能会持续到现在。2.迈斯纳效应TheMeissnerEffectIn1933MeissnerandOschenfeldmadeadiscoverywhichreveals:“Asuperconductorexcludesallmagneticfluxfromitsinterior”超导体具有完全的抗磁性,这是超导体的另一个基本特征。由于正常态的导体有电阻,所以为了在导体中产生恒定电流,就需要在其中加电场。电阻越大,需要加的电场也就越强。对于超导体来说,由于它的电阻为零,既使在其中有电流产生,维持该电流也不需要加电场。这就是说,在超导内部电场总为零。由于超导体内部电场强度为零,根据电磁感应定律,它体内各处的磁通量也不能变化。磁通量不能进入超导体,有此可以进一步导出超导体内部的磁场为零。严格的来说,理想的迈斯纳效应只能在沿磁场方向的非常常的圆柱体中发生。对于其它形状的超导体,磁感线被排除的程度起决于样品的几何形状。在一般情况下,整个金属体内被分成许多超导区和正常区。磁场增强时,正常区扩大,超导区缩小。当达到临界磁场时,整个金属都变成正常的了。迈斯纳效应又叫完全抗磁性,1933年迈斯纳发现,超导体一旦进入超导状态,体内的磁通量将全部被排出体外,磁感应强度恒为零,且不论对导体是先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要进入超导状态,超导体就把全部磁通量排出体外。所以超导体的抗磁性不能由零电阻导出,是另外一个基本特性。NNSS注:S表示超导态N表示正常态实验现象磁棒超导态铅浸入液氦理想导体内部不存在电阻其中磁通量不变超导体内部不存在电阻其中磁通量为零与零电阻现象彼此独立注意:超导态的基本特征:完全导电,完全抗磁实验现象比较导观察迈纳斯效应的磁悬浮试验在锡盘上放一条永久磁铁,当温度低于锡的转变温度时,小磁铁会离开锡盘飘然升起,升至一定距离后,便悬空不动了,这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体,在锡盘感应出持续电流的磁场,与磁铁之间产生了排斥力,磁体越远离锡盘,斥力越小,当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时,就悬浮不动了。3.两个临界值Hc和Ic临界磁场正常态HHc(0)TcT超导态逐渐增大磁场到达一定值后,超导体会从超导态变为正常态,把破坏超
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