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题目:超导材料的研究与发展
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超导材料的研究与发展
摘要:具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料称为超导材料;从1911年荷兰物理学家翁奈首先发现超导现象以来,现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体;超导材料具有优越的物理性质和优越的性能,目前已被广泛接受和认同,具有良好的发展前景;
关键词:超导材料;分类;性质;应用;原理;展望
引言
1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象;后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零,即具有超导现象;物质在超低温下,失去电阻的性质称为超导电性;相应的具有这种性质的物质就称这超导体;超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景;目前,超导材料已被应用于很多领域,本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述,以帮助人们更好的认识超导材料;
分类
按成分分为:
元素超导体、合金和化合物超导体,有机高分子超导体三类;
按Meissner效应分为:
第一类超导体:
超导体在磁场中有一同的规律,如图a所示:当H<Hc时,B=0,H>Hc时,B=μH,即在超导态内能完全排除外磁场,且只有一个值;除钒、铌、钌外,元素超导体都是第一类超导体;
第二类超导体:
如图b所示,第二类超导体的特点是:当H<Hc1时,B=0,排斥外磁场;当Hc1<H<Hc2时,B>0而B<μH,磁场部分穿透;当H>Hc2时,B=μH,磁场完全穿透;也就是在超导态和正常态之间有一种混合态存在,Hc有两个值Hc1和Hc2;钒、铌、钌及大多数合金或化合物超导体都是属于第二类导体;
性质
零电阻性
超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能;如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去;这种
“持续电流”已多次在实验中观察到;
超导体的零电阻现象与常导体零电阻在实质上截然不同;常导体的零电阻是指在理想的金属晶体中,由于电子运动畅通无阻,因此没有电阻;而超导体零电阻是指当温度降至某一数值Tc或以下时,其电阻突然变为零;电阻率ρ与温度T的关系见右图
完全抗磁性
1933年迈斯纳和奥尔德首次发现了超导体具有完全抗磁性的特点;把锡单晶球超导体在磁场H≦Hc中冷却,在达到临界温度Tc以下时,超导体内的磁通线一下子被排斥出去;或者先把超导体冷却至Tc以下,再通以磁场,这时磁通线也被排斥出动;如图所示;即在超导状态下,超导体内磁感应强度B=;
约瑟夫森效应
两超导材料之间有一薄绝缘层厚度约1nm而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体;当电流超过一定值后,绝缘层两侧出现电压U也可加一电压U,同时,直流电流变成高频交流电,并向外辐射电磁波,其频率为,其中h为普朗克常数,e为电子电荷;这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据;
同位素效应
超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关;M越大,Tc越低,这称为同位素效应;例如,原子量为的汞同位素,它的Tc是开,而原子量为的汞同位素,Tc为开;
基本临界参量
临界温度
外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态或相反的温度,以Tc表示;Tc值因材料不同而异;已测得超导材料的最低Tc是钨,为;到1987年,临界温度最高值已提高到100K左右;
临界磁场
使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度,以Hc表示;Hc与温度T的关系为Hc=H01-T/Tc2,式中H0为0K时的临界磁场;
临界电流和临界电流密度
通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态,以Ic表示;Ic一般随温度和外磁场的增加而减少;单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度,以Jc表示;
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件,因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题;以Tc为例,-昂内斯发现超导电性Hg,Tc=起,直到1986年以前,人们发现的最高的Tc才达到Nb3Ge,1973;,从而将Tc提高到35K;之后仅一年时间,新材料的Tc已提高到100K左右;这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景,米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金;
超导机理
当前在阐明超导机理的几种理论中,二流体模型是较有说服力的,较为流行的一种;二流体模型认为:超导体处于超导态时,传导电子分为两部分,一部分叫常导电子,另一部分叫超流电子,两种电子占据同一体积,彼此独立运动,在空间上互相渗透;常导电子的导电规律与常规导体一样,受晶格振动而散射,因而产生电阻,对热力学熵有贡献;超流电子处于某种凝聚状态,不受晶格振动而散射,对熵无贡献,其电阻为零,它在晶格中无阻地流动;这两种电子的相对数目与温度有关,T>Tc时,没有凝聚;T=Tc时,开始凝聚;T=0时,超流电子成分占100%;
这就是二流体模型的理论观点;它很好的解释了超导体在超导状态时零电阻现象;
超导材料的应用
低温超导材料的应用
低温超导材料的应用分为:强电应用,主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送;弱电应用,主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用;
高温超导体材料的应用与进展
目前高温超导材料大量应用在磁体、电子器件、电力等方面;但仍有许多材料和技术方面的问题需要解决;在材料方面,主要是要求超导体应有较高的临界温度和临界电流
结论
超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用;但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用;自1911年荷兰科学家卡末林、昂尼斯发现“超导”现象至今,世界各国的科学家从未间断过对“超导”的研究,特别是进入20世纪80年代以来,随着1987年中国、日本和美国科学家采用金属氧化物,将超导临界温度提高,使超导体前进了一大步,从而引起了一场前所未有的“超导大战”;近年来,世界各国纷纷投入巨资加紧研究与开发,不断推动超导技术产生新的飞跃;当日本宣布获得了175K的超导材料后不久,美、中、俄、联邦德国、丹麦等国也都相继有了突破性的研究报告,有的甚至已看到了308K的超导迹象,即已达到常温的转变温度;这表明,超导技术广泛应用的时代即将来临;
展望
未来十年是高温超导市场发展和材料产业化的十年;据预测,2010年和2020年,世界超导市场将分别达到300亿美元/年和2440亿美元/年;
在不久的将来,我国的能源、医疗卫生、电子技术和科学仪器等方面将会迫切需要超导技术;超导体的应用将导致一场新技术革命;
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