文档介绍：功能材料Function Materials
主讲: 孙彦彬副教授
1908年,荷兰物理学家莱顿大学的昂纳斯(Heike Kamerlingh Onnes)首次成功地把称为“永久气体”的氦液化, (-℃) 的低温源,为超导准备了条件。
第一章超导材料
1911年,昂纳斯在测试纯金属电阻率的低温特性时,他又发现,,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”,称这种处于超导状态的导体为超导体。超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度(Tc)。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。
超导材料的基础特性
超导体可分为两类:
第一类超导体——包括除Nb、Ta、V以外的纯金属
第二类超导体——Nb、Ta、V和所有超导合金及化合物
一、第一类超导体的特性
1. 超导体的临界参数
(1) 临界温度Tc
在无外磁场的情况下,超导体由正常态转变为超导态或相反转变时的温度称为临界温度。为了便于超导材料使用,希望临界温度越高越好。但是第一类超导体的临界温度一般都比较低。
(2) 临界磁场Hc
当金属已处于超导态时,若施以足够强的磁场,便能破坏其超导性,使它由超导态转变为非超导态,电阻重新恢复。临界磁场(Hc)即是指这种破坏超导态所需的最小磁场强度。Hc和温度T有如下关系:
Hc =Hc0 (1-T2/Tc2) (T≤Tc)
式中Hc0为0K时的临界磁场。当T=Tc时Hc=0;随温度的降低,Hc渐增,至0K时达到最大值Hc。第一类超导体Hc值不太大,约为10-2 T(特斯拉)的数量级。
(3) 临界电流Ic和临界电流密度Jc
产生临界磁场的电流,即超导态允许流动的最大电流,称为临界电流Ic。通过超导体的电流达到一定数值时,可使超导态破坏而转变为正常态。此时,单位截面积上承载的电流值称为临界电流密度Jc。
根据西尔斯比定则,对半径为a的超导丝所形成的回路,有如下关系:
由于第一类超导体的Hc都不大,Ic也较小,使第一类超导体不能实用。
2. 零电阻率
零电阻率是超导体的一重要的特性。当超导体的温度接近临界温度时,其电导率可视为无限大,因而可承载很大的电流,只要这个电流不超过临界电流Ic,超导体内电流的流动就可看成是无阻的,热损耗也可忽略不计。若用这样的超导体组成一个闭合回路,一旦回路中激发起电流,该回路内的电流将持续下去。由于超导体的电阻为零,所以电流在超导体内流动时,导体内任意两点间的电势差为零,则整个导体是一个等势体。
大家都知道,若将金属线圈放在磁场中,则线圈内将产生感应电流,对于正常金属线圈来说,当磁场去掉后,线圈内电流很快衰减为零,而对于超导线圈,情况却完全不同,图1是著名的持续电流实验。将一超导线圈放在磁场中并冷却到临界温度以下,突然撤去磁场,则在超导线圈中产生感生电流。
图1 著名的持续电流实验
实验发现,此电流可以持续存在,观察几年也未发现电流有明显变化。应该指出的是,超导体只有在直流情况下才有零电阻现象,若电流随时间变化,将会有功率耗散。超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗,而利用超导体则可最大限度地降低损耗,但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段,从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展,新超导材料的不断涌现,超导输电的希望能在不久的将来得以实现。