功能材料 第二章 超导材料

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1、第二章　超导材料超导材料是一种没有电阻的材料，既能节约能量，减少电能因电阻而消耗的能量，还能把电流储存起来，供急需时使用。1自从世界上以电力作为主要动力以来，就遇到两个令人头痛的问题：１、是在输送电流时，不少电力因导线有电阻而发热，白白损失了相当的能量。２、白天的电力常常严重不足，而深夜的电力又大大富余，使得发电机常常白天超负荷运转，深夜时却空转，电力白白浪费了。2能不能把夜间富余的电力储存起来用以弥补白天电力不足的难题呢?自从有了超导材料以来，解决这个问题就大有希望了。3一、超导材料的发展历程1911年，科学家发现，金属的电阻和它的温度条件有很大

2、关系：温度高时，它的电阻就增加，温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。4当时，荷兰物理学家昂尼斯为检验金属电阻与温度之间的关系的理论公式的正确性，就用水银作试验。将水银冷却到-40℃时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低列4K时，水银的电阻突然变成了零。5开始他不太相信这一结果、于是反复试验，但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界，后来科学家把这个现象叫超导现象，把电阻等于零的材料称超导材料，而把出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。

3、6昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的临界温度大多在接近绝对零度的极低温，没有什么经济价值，因为制造这种极低的温度，本身就很花钱而又很困难。7为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料，世界上无数科学家奋斗了近60年，也没有取得什么进展。直到1973年，英、美一些科学家才找到一种在23K出现超导现象的铌锗合金。此后这一记录又保持了10多年。8到了1986年，在瑞士IBM公司研究室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中总结教训，放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念，终于发现一种钇钡铜氧陶瓷氧化物材料

4、在43K这一较高温度下出现超导现象。这是一个了不起的成就，因此他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。9此后，美籍华人学者朱经武，中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋锶钙铜氧系高温超导合金，在110K的温度就有超导现象。10而后朱经武发现的铊钡钙铜氧系合金的超导温度更接近室温，达120K。11199l年，美国和日本的科学家又发现了球状碳分子Ｃ--60在掺钾、铯、钕等元素后，也有超导性。科学家预料，球状碳分子Ｃ--60掺杂金属后，有可能在室温下出现超导现象，那时，超导材

5、料就有可能像半导体材料一样，在世界引起一场工业和技术革命。121995年美国国立洛斯阿拉莫斯实验室的科学家已经把高温超导体制成柔韧的细带状，由于没有电阻，其导电性是铜丝的1200多倍。131996年，日本电气公司制出长一千米的高温超导线材，电流密度达到6000A/cm2，这种线材已达到了实用化的水平。14超导材料在液氮以上温度工作，可以说是20世纪内科学技术上的重大突破，也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。至今，对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。15二、超导体的三个临界参数1911年，荷兰物理学家昂内斯(OnnesHK)在成功地将氦气液化、获得4

6、.2K的超低温后，开始研究超低温条件下金属电阻的变化，结果发现：当温度下降至4.2K时，汞电阻突然消失了！这就是超导现象，此时的温度称为超导临界温度Tc。16零电阻是超导体最基本的特性，它意味着电流可以在超导体内无损耗地流动，使电力的无损耗传输成为可能；同时，零电阻允许有远高于常规导体的载流密度，可用以形成强磁场或超强磁场。17发现超导电性后，昂内斯即着手用超导体来绕制强磁体，但出乎他的意料，超导体在通上不大的电流后，超导电性就被破坏了，即超导体具有临界电流Ic。此后，又发现了超导体的临界磁场Hc。Ic和Hc也是超导体的基本特性，是实现超导体强电应

7、用的必要条件。18临界温度（Tc）、临界电流（Ic）和临界磁场（Hc）是“约束”超导现象的三大临界条件。三者具有明显的相关性，只有当超导体同时处于三个临界条件以内，即处于如图所示的三角锥形曲面内侧，才具有超导电性。19三角锥形曲面内侧超导电性的T--I--H临界面20⑴临界温度Tc超导体从常导态转变为超导态的温度，以Tc表示。临界温度是在外部磁场、电流、应力和辐射等条件维持足够低时，电阻突然变为零时的温度。由于材料的不纯，这种零电阻转变前后，跨越了一个温区。21⑵临界磁场Hc(Ｔ)实验发现，超导电性可以被外加磁场所破坏，对于温度为T(T＜Tc)的超

8、导体，当外磁场超过某一数值Hc(T)的时候，超导电性就被破坏了，使它由超导态转变为常导态,电阻重新恢复。22这种能够破坏超