超導(dǎo)應(yīng)用基礎(chǔ)-唐躍進(jìn)2010-n02基本特性

1、超導(dǎo)電力基礎(chǔ)唐 躍 進(jìn)、郵箱：tangyj、2010年5月-6月ASC-HUST簽到169；課堂作業(yè)165；點(diǎn)人156誤差、代簽、代作業(yè)？為什么要開選修課？本科：培養(yǎng)、能力。學(xué)習(xí)、發(fā)現(xiàn)/解決問題三年級：基礎(chǔ)課程已完，已沒有學(xué)不懂的選修課：引導(dǎo)方向；強(qiáng)制學(xué)習(xí)；克己復(fù)禮課堂形式、課堂效果、教學(xué)質(zhì)量師傅領(lǐng)進(jìn)門，看各人！課堂效果促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，課堂形式促進(jìn)課堂效果上一堂課的情況ASC-HUST教學(xué)評價(jià)？教學(xué)共長。獲取反饋信息有助于改進(jìn)、提高為給出成績必須有量化指標(biāo)來評價(jià)出席/課堂作業(yè)/課外作業(yè)/考查/教/提問課堂作業(yè)、課外作業(yè)平時(shí)成績（%）+成績（%）綜合評估平時(shí)成績：考勤、課堂作業(yè)、課外作業(yè)作業(yè)：態(tài)度

2、/能力空白卷1份，不認(rèn)真的10余份 目標(biāo)責(zé)任心嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)靈活的方法 上一堂課的情況ASC-HUST從課堂作業(yè)上獲取的建議？理論和應(yīng)用實(shí)例實(shí)例大多在后半段課程思考問題的方法、解決問題的方法教學(xué)習(xí)資源盡量加強(qiáng)；學(xué)學(xué)習(xí)館、網(wǎng)絡(luò)（多關(guān)注科技網(wǎng)頁）如何搜索、收集科技信息？學(xué)習(xí)方法感受（看/讀/聽）、思考（凝思/實(shí)踐（作業(yè)/實(shí)驗(yàn)）上一堂課的情況ASC-HUST不同的應(yīng)用領(lǐng)域，利用了不同的超導(dǎo)特性應(yīng)用電磁測電子開高頻檢磁懸非線性元件磁場浮量關(guān)測特完全反磁性超導(dǎo)相變零電阻效應(yīng)性基礎(chǔ)超導(dǎo)材料低溫構(gòu)造材料計(jì)測控制材料工程低溫工程電力電子 其他超導(dǎo)物理強(qiáng)電：發(fā)電、送電、用電、儲能、弱電：微波、電磁檢測、計(jì)算機(jī)開關(guān)元

3、件、強(qiáng)磁場：科研、高能物理、磁懸浮、磁分離、醫(yī)療：核磁成像、電磁測量、ASC-HUST送電 高場強(qiáng)導(dǎo)磁體線理想導(dǎo)電性完全反磁性磁化特性超導(dǎo)體的臨界值其他物理特征二、超導(dǎo)的基本現(xiàn)象與理論ASC-HUST2.1 理想導(dǎo)電性二、超導(dǎo)的基本現(xiàn)象與理論ASC-HUST2.1理想導(dǎo)電性荷蘭的K.Onnes發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象基本特征：在臨界溫度下導(dǎo)體的電阻值成為零由此定義:超導(dǎo)體 superconductor電阻超導(dǎo)電性 superconductivity超導(dǎo)態(tài) superconducting se常態(tài) normal se溫度臨界溫度臨界溫度 critical temperatureASC-HUST超導(dǎo)常態(tài)2.

4、1理想導(dǎo)電性超導(dǎo)體的電阻真的為零嗎？是否因?yàn)闅堄嚯娮杼?，超出了測量儀器的可測量范圍呢？為此，一些研究者進(jìn)行了電流確認(rèn)實(shí)驗(yàn)。ASC-HUST如何驗(yàn)證：超導(dǎo)體的電阻為零？ 提高測量精度的方法？ASC-HUSTA dB Ri L didtdt電流Is 當(dāng)電流存在初始值 i(0) 時(shí)，回路電流測量電流的衰減情況，就可以測定回路的電阻的大小。ASC-HUST回路電阻R=0時(shí)，Li AB 常數(shù)回路電流不衰減！而且，電流的衰減還可以通過測量磁通密度的變化來推定。增加回路的匝數(shù)，如螺旋線圈，可以增加磁場強(qiáng)度，提高可測量性。電流IsASC-HUST電流的試驗(yàn)方法ES1S2超導(dǎo)線圈磁場檢測ASC-HUST設(shè)計(jì)并

5、實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，是從事科學(xué)技術(shù)研究的重要環(huán)節(jié)鉛（Pb）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電流實(shí)驗(yàn)證明：電流i(0)超導(dǎo)電流幾乎不衰減。超導(dǎo)體時(shí)電流Is2年。保持超導(dǎo)電阻率小于10-26 m體時(shí)電流In同一線圈，在態(tài)下進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，電流在10-5 秒內(nèi)衰減至零。時(shí)間銅在室溫下的電阻率小于10-8mASC-HUST結(jié)論：超導(dǎo)態(tài)的電阻為零！一般試驗(yàn)中，超導(dǎo)電阻率小于10-12 m時(shí)，即認(rèn)為處于超導(dǎo)態(tài)。ASC-HUST2.1 完全反磁性二、超導(dǎo)的基本現(xiàn)象與理論ASC-HUST問題：超導(dǎo)體是否僅僅是理想導(dǎo)電體！發(fā)散性的思維，從多個(gè)角度思考問題是從事科學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象的重要方法。ASC-HUST1933年，和研究了超導(dǎo)體的磁特性

6、電、磁不可分割！ASC-HUST2.2完全反磁性如果僅僅是理想導(dǎo)體（電阻為零）圓柱形導(dǎo)體冷卻至臨界溫度以下加外部磁場撤去外部磁場磁通線無法過導(dǎo)ASC-HUST為什么磁通線無法穿過理想導(dǎo)體？HaHe印加外部磁場時(shí)，在理想導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且，電流不衰減。該加外部磁場感應(yīng)電生的感應(yīng)磁場與外部磁場大小相等，方向相反，所以，導(dǎo)體內(nèi)部磁通為零。ASC-HUST如果僅僅是理想導(dǎo)體（電阻為零）改變試驗(yàn)順序，在非理想導(dǎo)體狀態(tài)加磁場，然后冷卻到理想導(dǎo)體狀態(tài)，撤去外部磁場磁通線撤去外部磁場加外部磁場冷卻至臨界溫度以下磁通線無法從導(dǎo)體退出ASC-HUST為什么撤去外加磁場后，磁通線仍然保留在導(dǎo)體？HaHe撤去外

7、部磁場后撤去外部磁場時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，該感應(yīng)電生的感應(yīng)磁場與外部磁場原來的大小相等，方向相反，所以，導(dǎo)體留原磁場相同的磁通。仍然保ASC-HUST超導(dǎo)體：圓筒形超導(dǎo)體冷卻至臨界溫度以下加外部磁場撤去外部磁場ASC-HUST超導(dǎo)體：磁通線冷卻至臨界溫度以下加外部磁場撤去外部磁場ASC-HUST二者比較：超導(dǎo)體理想導(dǎo)體磁通線冷卻至臨界溫度以下圓筒形超導(dǎo)體ASC-HUST對于超導(dǎo)體，不論是先加磁場后冷卻， 還是先冷卻后加磁場，不論外部磁場是仍然存在或已經(jīng)撤除，磁通線不能通過超導(dǎo)體。(Meier)效應(yīng)，即 完全反磁性（抗磁性）ASC-HUST1933年，和著眼于超導(dǎo)體的磁性在測量錫圓形球周圍的

8、磁場分布時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外。從而發(fā)現(xiàn)了磁力線無法效應(yīng)超導(dǎo)體超導(dǎo)體具的抗磁性實(shí)驗(yàn)中的異常往往是新發(fā)現(xiàn)的起點(diǎn)，不能忽視里程碑式的實(shí)驗(yàn)ASC-HUST效應(yīng)可用于磁場磁懸浮上圖：磁懸浮原理下圖：磁懸浮實(shí)驗(yàn)情景超導(dǎo)體磁體超導(dǎo)體磁體 ASC-HUST為什么超導(dǎo)體具有(Meier)效應(yīng)ASC-HUSTipH（1）用電電流解釋生的磁場抵消了外部磁場。 先加磁場后冷卻的情況難以說明（2）用超導(dǎo)體的磁化解釋（3）超導(dǎo)體磁場能量解釋ASC-HUST2.3 超導(dǎo)體的磁化特性二、超導(dǎo)基本現(xiàn)象和基礎(chǔ)理論ASC-HUST(1)物質(zhì)的磁性一般物體在磁場

9、He下，其的磁通密度為：為比透磁率，x為磁化率，為真空的透磁率。磁化代表物質(zhì)磁偶極子在磁場中的特性2.3 超導(dǎo)體的磁化特性ASC-HUST(2)按磁性對物質(zhì)的分類常磁性：擁有微弱磁雙極子，沒有外加磁場時(shí)呈無秩分，外加磁場的用下有取向，呈微磁x = 10-(45)，而且隨溫度而變化?；呕蚀蠓蔷Т判裕弘p極子的反向平行排列，但方向不同的雙極子強(qiáng)弱不一樣。因此，沒有外加磁場時(shí)，也呈現(xiàn)磁性，在磁場作用下的磁化與強(qiáng)磁性物質(zhì)相似。強(qiáng)磁性（鐵磁性）：磁雙極子平行排列，在磁場中磁化，撤除磁場后仍然保留部分磁化。如鐵，鉻，鈷等鐵磁物質(zhì)。ASC-HUST完全反磁性：超導(dǎo)體 x = -1。反強(qiáng)磁性：雙極子相互反

10、向平行排列。無外部磁場時(shí)沒有磁化，在外部磁場作用下呈現(xiàn)微弱磁化。反磁性：沒有磁雙極子，在磁場中產(chǎn)生的磁化和外部磁場方向相反。磁化很小，磁化率在x = -10-(56)。ASC-HUST？磁偶極子磁單極子電荷是否存在磁通線指向無窮遠(yuǎn)“磁單極子”？1931年、相對論量子力學(xué)創(chuàng)立者第一次提出磁單極子概念。后來建立的大理論和早期宇宙理論都要求磁單極子的存在。 一直還沒有找到ASC-HUST題外話 SNNS題外話(3)超導(dǎo)的磁化特性在超導(dǎo)態(tài)，超導(dǎo)體呈現(xiàn)完全反磁性：Bi,MMBi磁化與外部磁場大小相等方向相反H超導(dǎo)體的磁化特性ASC-HUST說明：（1）下圖所示磁化特性只是對理想超導(dǎo)體而言，對于有雜質(zhì)的超

11、導(dǎo)體，其磁化特性有它自己的特點(diǎn)。（2）當(dāng)外部磁場增加到一定值（Hc）后，超導(dǎo)體不能維持超導(dǎo)態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)。在常態(tài)下的磁性一般有順磁性。Bi,M磁化與外部磁場大小相等M方向相反Hc 稱為臨界磁場BiHcHASC-HUST2.4 超導(dǎo)體的臨界值二、超導(dǎo)基本現(xiàn)象和基礎(chǔ)理論ASC-HUST2.4 超導(dǎo)體的臨界值(1)臨界溫度超導(dǎo)體在某一溫度開始電阻急劇下降，直至變成零。即轉(zhuǎn)變寬度電阻從常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)。從開始轉(zhuǎn)變到完全成為超導(dǎo)的溫度寬度，稱之為轉(zhuǎn)變寬度。并且，一般將電阻急劇變化到 1/2 時(shí)的溫度定義為Tc溫度臨界溫度 Tc。ASC-HUST2.4超導(dǎo)體的臨界值轉(zhuǎn)變寬度與物質(zhì)的純度有關(guān)。純度越高的材料

12、轉(zhuǎn)變溫度越窄。轉(zhuǎn)變寬度電阻純度低的材料純度高的材料Tc溫度ASC-HUST有的超導(dǎo)體觀察不到明顯的轉(zhuǎn)變寬度，如：高溫超導(dǎo)體電阻對這類物質(zhì)，臨界溫度定義為電阻為零時(shí)的溫度。實(shí)際測量中，不可避免地存在誤差，一般定義在：電阻率小于10-12 cmTc溫度2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST2.4超導(dǎo)體的臨界值(2)臨界磁場超導(dǎo)體在某一磁場強(qiáng)度下，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變成臨界磁場 Hc。狀態(tài)。一磁場值稱為Bi,MR常態(tài)電阻MBiHcHHcH磁通及磁化的變化磁場作用下電阻的變化ASC-HUST臨界磁場是溫度的函數(shù)HcHc0常態(tài)電阻THc0：溫度為 0K 時(shí)的臨界磁場Tc0：磁場為 0T 時(shí)的臨界溫度Tc

13、0注意：第I類超導(dǎo)體和第II類超導(dǎo)體具有不同的臨界磁場特性第I類超導(dǎo)體的臨界磁場很小。通過不大的電流時(shí)，也會因電備應(yīng)用價(jià)值生的磁場而失去超導(dǎo)電性，一般不具2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST(2)臨界電流密度超導(dǎo)體所通過的電流密度達(dá)到某一個(gè)值后，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，轉(zhuǎn)變成狀態(tài)。這一電流密度稱為臨界電流密度 Jc實(shí)際應(yīng)用中，超導(dǎo)材料中總含有雜質(zhì)，或其他必要的添加材料。為了應(yīng)用上的方便，常使用概念：臨界電流Ic臨界電流可用電生磁場來解釋。2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST臨界電流和臨界磁場的關(guān)系，是怎樣？2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST沒有外加磁場，僅有通電電流自身產(chǎn)生的磁場時(shí)I電流增大使

14、得該磁場達(dá)到臨界磁場時(shí)臨界磁場是溫度的函數(shù)，所以H2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST2.4 超導(dǎo)體的臨界值臨界電流是溫度的函數(shù)IIcIc常態(tài)電阻Ic0HHc0TTc0無外加磁場時(shí)，理想超導(dǎo)體的臨界電流密度和臨界磁場的關(guān)系A(chǔ)SC-HUST有外加磁場時(shí)，臨界電流怎么變化？2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST外加磁場平行于通電電流時(shí)Ha磁場IIcIc0達(dá)到Hc時(shí)的電流為臨界電流值HaHc0Hi2.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUSTHa外加磁場垂直于通電電流時(shí)磁場相加的一側(cè)的磁場IIcHa前的系數(shù)因反磁場系數(shù)而Ic0產(chǎn)生，與材料的形狀有關(guān)，2是導(dǎo)體為細(xì)長圓柱時(shí)的值HaHc/2Hc0Hi2.4 超

15、導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST與三個(gè)臨界值相關(guān)的超導(dǎo)相圖電流密度J臨界溫度臨界磁場Jc（3）臨界電流密度Hc磁場HTcTc，Hc由材料組成決定溫度TJc與材料制造過程相關(guān)Tc(k)18.2Hc2(T)24材料Nb3SnV3GaNbTi16.8921122.4 超導(dǎo)體的臨界值A(chǔ)SC-HUST2.5 超導(dǎo)體的其他特性二、超導(dǎo)基本現(xiàn)象和基礎(chǔ)理論ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性（1）超導(dǎo)體的熵?zé)崃W(xué)第二法則 熵:處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體的熵低于處于常態(tài)的超導(dǎo)體。表明超導(dǎo)態(tài)是一種更有序的狀態(tài)。ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性（2）超導(dǎo)體態(tài)-常態(tài)相變的性質(zhì)熱力學(xué)定義：發(fā)生相變時(shí)，熵連續(xù)、熵的導(dǎo)數(shù)不連續(xù)

16、則為一次相變二者都連續(xù)則為二次相變超導(dǎo)體在T=Tc時(shí)發(fā)生的相變?yōu)槎蜗嘧兂瑢?dǎo)體在H0時(shí)發(fā)生的相變?yōu)橐淮蜗嘧傾SC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性物質(zhì)的比熱：（3）超導(dǎo)體的比熱固體的比熱包含與原子的運(yùn)動相關(guān)的晶格比熱和與電子運(yùn)動相關(guān)的電子比熱兩部分。低溫狀態(tài)下，電子比熱占主要部分。超導(dǎo)體的比熱不連續(xù)，意味著態(tài)和常態(tài)下的電子處于不同狀態(tài)。ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性（4）超導(dǎo)體的紅外吸收20Tc(K)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)In Hg3.39164.154.3910體對于某一頻率（hf為kBTc的某一倍數(shù)時(shí))的電磁波（遠(yuǎn)紅外波段）具有顯著增大的紅外吸收率。HgTa Nb128InNb4 T

17、a03040501020頻率（cm-1)超導(dǎo)材料的遠(yuǎn)紅外吸收特性(Pa-Pm)/Pn(任意位)ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性超導(dǎo)體的紅外吸收特性、比熱特性等說明了什么？ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性超導(dǎo)體的紅外吸收特性、比熱特性等說明了什么？基礎(chǔ)：電子的能級理論提示：激光、輻射的產(chǎn)生電子從一個(gè)能級跳到另一個(gè)能級時(shí)，產(chǎn)生電磁輻射ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性物質(zhì)中的電子所處能態(tài)能帶理論空帶導(dǎo)帶空帶禁帶禁帶禁帶禁帶滿帶滿帶滿帶滿帶絕緣體導(dǎo)體半導(dǎo)體超導(dǎo)態(tài)滿帶中，帶有-K和+K能量的電子數(shù)目相等。絕緣體的電子帶是空的，導(dǎo)體的導(dǎo)帶中+K和-K的電子數(shù)目不相等，半導(dǎo)體的禁帶較絕緣體

18、窄，少數(shù)電子可以跑到空帶中去導(dǎo)電。超導(dǎo)態(tài)電子能態(tài)中有一個(gè)間隙能隙電子的能量 E電子的能量 E電子的能量 E電子的能量 EASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性(5)超導(dǎo)的能隙在遠(yuǎn)低于臨界溫度的溫度領(lǐng)域測量超導(dǎo)比熱為常態(tài)比熱，a10，b1.5意味著超導(dǎo)態(tài)下，與比熱相關(guān)的電子數(shù)少表明超導(dǎo)態(tài)的電子體系中存在能隙電磁波吸收吸收率的變化，也證明能隙確實(shí)存在，BCS理論得知kB：常數(shù)ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性（6）超導(dǎo)體的同位素效果同一種超導(dǎo)金屬，其同位素具有不同的臨界溫度和臨界磁場，且與同位素的質(zhì)量數(shù)相關(guān)常數(shù)常數(shù)對于不同的元素，有不同的值，一般超導(dǎo)的同位素效果的發(fā)現(xiàn)證明超導(dǎo)電性不僅僅和電子相關(guān)，還與原子核，即金屬的結(jié)晶格子相關(guān)。ASC-HUST2.5超導(dǎo)體的其他特性（7）超導(dǎo)體中的磁通量子化HeIsHe通過閉合超導(dǎo)回路的磁通線只能夠不連續(xù)地增加，每一個(gè)階梯為一