高温超导材料的研究与应用进展PPT文件格式下载.ppt

1、昂尼斯也因此荣获19131913年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。超导技术应用的超导技术应用的准备阶段准备阶段 1962年英国物理学家约瑟夫森发现超导电性又一宏观效应即超导隧道效应1973年发现铌三锗（Nb3Ge）的TC为23.2k，该记录保持了十几年直至高温超导的发现。一.超导体简介第二阶段第二阶段19581985第一阶段第一阶段1986年至今年至今德籍英国物理学家伦敦兄弟二人根据二流体模型建立，它反映了超导零电阻性质、超导电流和磁场的关系。伦敦方程和麦克斯韦方程解释了迈斯纳效应第一阶段第一阶段19111957超导微观理论阶段超导微观理论阶段 1933年迈斯纳和奥森菲尔德发现超导体的完全抗磁

2、性-迈斯纳效应1935年超导电动力学方程即伦敦方程建立1950年发现超导同位素效应，即1955年BCS超导理论高温超导丰产期高温超导丰产期1986年制备出年制备出Tc高于高于30K的超导材料（的超导材料（La-Ba-Cu-O）一系列含铜氧化物超导一系列含铜氧化物超导体的体的Tc突破突破77K1993年发现年发现Hg-Ba-Ca-Cu-O的的Tc=134K2001年发现年发现MgB2，是，是最具实用价值的超导之一最具实用价值的超导之一铁基高温超导等的发现铁基高温超导等的发现第三阶段第三阶段1986年至今年至今1.1.2 超导的发展史超导的发展史一.超导体简介1.1.3 超导转变温度的发展简史超导

3、转变温度的发展简史lFe基超导体（高压）Company Logo一.超导体简介1.1.3 超导转变温度的发展简史超导转变温度的发展简史一.超导体简介1.2 超导体的基本特性超导体的基本特性零电阻效应零电阻效应迈斯纳效应迈斯纳效应一.超导体简介1.2.1 零电阻效应零电阻效应u零电阻现象零电阻现象：将超导体冷将超导体冷却到某一临界温度（却到某一临界温度（TC）以）以下时电阻突然降为零的现象称下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。为超导体的零电阻现象。常态常态超导态超导态（）一.超导体简介 零电阻是超导体的一个基本特性，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那么能

4、否将超导体理解为电阻为零的理想导体？理想导体？直到直到1933年，迈斯纳等在超导体年，迈斯纳等在超导体上发现了上发现了完全抗磁性，完全抗磁性，也称为也称为迈斯纳迈斯纳效应。效应。人们才意识到，超导体不能理人们才意识到，超导体不能理解为电阻为零的理想导体。解为电阻为零的理想导体。1.2.2 完全抗磁性（迈斯纳效应）完全抗磁性（迈斯纳效应）一.超导体简介理想导体理想导体在稳恒情况下，电导率在稳恒情况下，电导率 ，由，由 可知可知 E=0.由法拉由法拉第感应定律第感应定律 可得可得 H=0 R 0加磁场加磁场冷却冷却去磁场去磁场去磁场去磁场加磁场加磁场冷却冷却B 0 R 0B 0 R=0B 0 R=

5、0H=0 R=0B=0 R=0B=0 R=0在完全理想的导体中不可能有随时间变化的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：理想导体的磁性结论：理想导体的磁性与加磁场的历史有关。与加磁场的历史有关。一.超导体简介超导体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。的磁感应强度总是等于零，这就是超导的迈斯纳效应。H=0 R 0加磁场加磁场冷却冷却去磁场去磁场去磁场去磁场加磁场加磁场冷却冷却B 0 R 0

6、H=0 R=0B=0 R=0B=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结论：超导体内磁感应强度总是为零，与加磁场的历史无关。B=0 R=0B=0 R=0一.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，感应电流在超导体内，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场相抵产生的磁场正好和外磁场相抵消消，导致超导体内部磁场为零。，导致超导体内部磁场为零。迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体超导态的磁化率为超导态的磁化率为：一.超导体简介1.2.3 同位素效应同位素效应

7、1950年，实验发现同一种超导元素的各种同位素的年，实验发现同一种超导元素的各种同位素的临临界温度和原子质量界温度和原子质量有如下关系：有如下关系：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。称为称为同位素效应同位素效应多数情况下多数情况下Company Logo一.超导体简介1.3 超导态的临界参数超导态的临界参数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

8、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。一.超导体简介1.4 第第类和类和第第类超导体类超导体v第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。第一类超导体第一类超导体一.超导体简介第二类超导体第二类超导体除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合

9、物及其合金。第类超导体和第类超导体的区别区别主要在于：第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合有一个中间态（混合态）态）；第类超导体的混合态中有磁混合态中有磁通线存在通线存在，而第类超导体没有；第类超导体比第类超导体有更高的临界磁场更高的临界磁场、更大的临界更大的临界电流密度和更高的临界温度电流密度和更高的临界温度。报告内容报告内容1.1.超导体简介超导体简介超导体简介超导体简介2.2.超导转变热力学超导转变热力学超导转变热力学超导转变热力学3.3.超导电性的理论研究超导电性的理论研究超导电性的理论研究超导电性的理论研究5.5.制备方法制备方法制备方法制备方法6.6.应用及前景应

10、用及前景应用及前景应用及前景4.4.高温超导材料高温超导材料高温超导材料高温超导材料二.超导转变热力学2.1 超导体的自由能超导体的自由能设超导样品是均匀磁化的，磁化强度为设超导样品是均匀磁化的，磁化强度为M，当外参量有很小的变，当外参量有很小的变化时（考虑温度、压力和磁场的变化），体系的吉布斯自由能密度化时（考虑温度、压力和磁场的变化），体系的吉布斯自由能密度的增量为：的增量为：当当M M为负时，表示抗磁，物体对外做功。等温等压时，为负时，表示抗磁，物体对外做功。等温等压时，即：由于磁场的作用使磁矩为即：由于磁场的作用使磁矩为M M时，物体的自由能变化为时，物体的自由能变化为:由于由于Com

11、pany Logo二.超导转变热力学因为超导态的因为超导态的B=0B=0，则，则 ,所以所以一般情况下，正常导体是非磁性的，在外加磁场中磁化强度很小，一般情况下，正常导体是非磁性的，在外加磁场中磁化强度很小，且变化不大。而且变化不大。而H=HH=HC C时，超导态变为正常态，所以有：时，超导态变为正常态，所以有：二.超导转变热力学2.2 超导体的熵超导体的熵若考虑压力和磁场不变，即若考虑压力和磁场不变，即dp=dH=0，则：则：由由 ，可得：，可得：0超导态的熵总是小于正超导态的熵总是小于正常态的熵，也就是说超常态的熵，也就是说超导态具有更高的有序度。导态具有更高的有序度。二.超导转变热力学2

12、.3 超导转变时的潜热和比热变化超导转变时的潜热和比热变化潜热潜热 一级相变一级相变 在磁场中，由正常态变到超导态要放热，为一级相变在磁场中，由正常态变到超导态要放热，为一级相变 在临界温度在临界温度Tc，Bc0，L=0；在在0 K,L=0,相变为二级相变！相变为二级相变！二.超导转变热力学比热比热 二级相变二级相变 比热比热 所以所以 由于由于HC与温度有关，当与温度有关，当T=TC时，时，HC=0，但，但 ，所以，所以 。在零磁场中，当。在零磁场中，当T=TC时发生相变所对应的比热有跳跃。时发生相变所对应的比热有跳跃。在零磁场下，在在零磁场下，在T=TC（0）时的相变为二级相变。时的相变为

13、二级相变。报告内容报告内容1.1.超导体简介超导体简介超导体简介超导体简介2.2.超导转变热力学超导转变热力学超导转变热力学超导转变热力学3.3.超导电性的理论研究超导电性的理论研究超导电性的理论研究超导电性的理论研究5.5.制备方法制备方法制备方法制备方法6.6.应用及前景应用及前景应用及前景应用及前景4.4.高温超导体高温超导体高温超导体高温超导体三.超导电性的理论研究3.1 二流体模型二流体模型 前面我们介绍了超导态的零电阻现象，熵和比热的变化前面我们介绍了超导态的零电阻现象，熵和比热的变化特征。我们知道，磁场、温度等可以破坏超导电性。因此，特征。因此，超导态是一个能量低的凝聚状态超导态

14、是一个能量低的凝聚状态有序化状态。如何理解有序化状态。如何理解超导态下电子的熵和比热变化？这里我们用二流体模型来考超导态下电子的熵和比热变化？这里我们用二流体模型来考虑上述问题。虑上述问题。三.超导电性的理论研究由由Gorter和和Casimir提出的二流体模型如下：提出的二流体模型如下：超导体内存在两种电子超导体内存在两种电子正常电子正常电子，密度，密度nN，受晶格振动等散射，有阻，受晶格振动等散射，有阻超导电子超导电子,密度密度nS，不受晶格振动等散射，无阻，不受晶格振动等散射，无阻 正常电子浓度和超导电子浓度皆是温度的函数正常电子浓度和超导电子浓度皆是温度的函数,温度大于温度大于TC时，所有电子时，所有电子 都是正常电子都是正常电子 超导电子是电子的一种有序状态，其有序度可用下式表示：超导电子是电子的一种有序状态，其有序度可用下式表示：三.超导电性的理论研究正常电子受到晶格的散射，对熵有贡献正常电子受到晶格的散射，对熵有贡献超导电子处在一种低能量的有序状态，电子不受晶格散射，又因为是超导电子处在一种低能量的有序状态，电子不受