高温超导材料的研究与应用进展

高温超导材料的研究 与应用进展

报告内容1. 超导体简介 2.超导转变热力学 3. 超导电性的理论研究 4. 高温超导材料 5.制备方法

6. 应用及前景

一. 超导体简介 1.1 超导的发展1.1.1 超导的发现 正常导体的电阻率：

0 (1 t ) 超导：低温下的奇迹1911年荷兰物理学家昂尼 斯发现，用液氮将汞冷却到 4.2K时，其电阻率ρ →0,这种 现象称为“超导现象”。卡末林· 昂尼斯 Kamerlingh Onnes

一. 超导体简介 在发现汞的超导性后，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。昂尼斯也因此荣获 1913年诺贝尔物理学奖。

一. 超导体简介1.1.2 超导的发展史第一阶段 第三阶段 第二阶段1958~1985 1986年至今 高温超导丰产期 第一阶段 1986年制备出Tc高于 超导技术应用的 1911~1957 德籍英国物理学家伦敦兄弟 30K的超导材料(La-Ba准备阶段 二人根据二流体模型建立，它反 Cu-O) 超导微观理论阶段 1962年英国物理学 映了超导零电阻性质、超导电流和磁 一系列含铜氧化物超导 家约瑟夫森发现超导 体的Tc突破77K 1933年迈斯纳和奥森 场的关系。伦敦方程和麦克斯韦方 电性又一宏观效应即 1993年发现Hg-Ba-Ca程解释了迈斯纳效应 菲尔德发现超导体的完 超导隧道效应 Cu-O的Tc=134K 全抗磁性----迈斯纳效应 1973年发现铌三锗 2001年发现MgB ,是 2 1935年超导电动力学 (Nb3Ge)的TC为 最具实用价值的超导之一 方程即伦敦方程建立 23.2k,该记录保持了 铁基高温超导等的发现 十几年直至高温超导 1950年发现超导同位 1 的发现。 素效应，即 T M 2C

1955年BCS超导理论

一. 超导体简介1.1.3 超导转变温度的发展简史(高压)

Fe基超导体

一. 超导体简介1.1.3 超导转变温度的发展简史

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一. 超导体简介1.2 超导体的基本特性

零电阻效应

迈斯纳效应

一. 超导体简介1.2.1 零电阻效应 零电阻现象：将超导体冷却到某一临界温度(TC)以 下时电阻突然降为零的现象 称为超导体的零电阻现象。

常态→超导态 ( T )

TS R n Tm 1 2 T0 0 Rn

一. 超导体简介1.2.2 完全抗磁性(迈斯纳效应)零电阻是超导体的一个基本特性， 那么能否将超导体理解为电阻为零的 理想导体？ 直到1933年，迈斯纳等在超导体 上发现了完全抗磁性，也称为迈斯纳 效应。人们才意识到，超导体不能理 解为电阻为零的理想导体。

一. 超导体简介理想导体在稳恒情况下，电导率

,由 j E 可知 E =0.由法拉 第感应定律 E B 可得 B B0 0 H 0 t

去磁场 B 0 R 0 B 0 R=0

B 0 R=0

H=0 R 0H=0 R=0 B=0 R=0 B=0 R=0

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。

结论：理想导体的磁性 与加磁场的历史有关。

一. 超导体简介超导体不管加磁场的次序如何，只要超导体进入超导态，超导体内 部的磁感应强度总是等于零，这就是超导的迈斯纳效应。

去磁场 B 0 R 0 B=0 R=0

B=0 R=0

H=0 R 0H=0 R=0 B=0 R=0 B=0 R=0

结论：超导体内磁感应强度总是为零，与加磁场的历史无关。

一. 超导体简介超导的完全抗磁性是因为外磁场的磁化使超导体表面产生 感应电流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵 消，导致超导体内部磁场为零。

B 0 (H M ) 0超导态的磁化率为： M H 1

迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体

一. 超导体简介1.2.3 同位素效应 1950年，实验发现同一种超导元素的各种同位素的临 界温度和原子质量有如下关系：

M TC const

多数情况下

1 2

——称为同位素效应 由于不同的同位素中电子的分布是相 同的，因而同位素效应就表明虽然超导电 性是由电子运动引起的，但必须考虑原子 核作用。把晶格振动(声子)与电子联系 起来，启发人们认识到电子 —声子的相互 作用是超导电性的根源。

一. 超导体简介1.3 超导态的临界参数1 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。 2 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。 3 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。 以上三个参数彼此关联，其相 互关系如右图所示。

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一. 超导体简介1.4 第Ⅰ类和第Ⅱ类超导体 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 ，该类超导体的熔点较低、 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。第Ⅰ类超导体由于 其临界电流密度和临界磁场较 低，因而没有很好的实用价值。

第一类超导体