低温超导材料的发展和应用
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低温超导材料简介
低温超导材料基础理论 低温超导材料发展历程 低温超导材料应用
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超导零电阻现象的发现
1911年荷兰的卡茂林·昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导 线（-40℃），并将温度降低到－269℃左右时，水银导线的 电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。

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2 / Tc

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第I类超导体只有一个临界磁场 Hc； 当H<Hc时，超导态； 当H>Hc时，正常态。
常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等; 熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”； 。 临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值
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第II类超导体有两个临界磁场 当H<Hc1时，零电阻且完全禁止 磁场线进入迈斯纳态。 当 Hc1 < H< Hc2时，混合态。零 电阻，磁场线部份穿过。
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超导材料：指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。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。
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超导体的临界条件
温度T<临界温度Tc 磁场强度H<临界磁场强度Hc 在温度低于 Tc ，外加磁场强度 H>Hc的磁场作用于超导体 时，磁力线将穿入超导体，超导态被破坏而转入正常态。 电流密度J<临界电流密度Jc 同时,电流密度产生的磁场与外加磁场的矢量和应小于临 界磁场强度Hc。
注意区分：
电流强度I－单位时间通过某截面电荷的量；
电流密度J－单位面积上通过的电流强度；
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超导临界参数之间的关系
三个性能指标，相互制约； 一般来说，指标越高越好。

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超导临界温度Tc
起始转变温度Tc(onset) 转变温度宽度ΔTc 零电阻温度Tc(R=0)

T2 H c H c0 1 2 T c (T Tc )
Hc0为绝对零度时的临界磁场；
0
Tc
T
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超导临界电流Jc


破坏超导态所需的最小电流密度; J=I/A,单位A/m2 超导临界电流与临界温度的关系：
J c J c0 1 T
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迈斯纳效应的发现：
1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态下，超导体内 部的磁场强度H总为零，即具有完全抗磁性，这种现象就称 为迈斯纳效应。
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完全抗磁性的原因
North North
常规导体
超导体
South
பைடு நூலகம்
South
外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生
中间临界温度 Tc(mid)
超导材料的临界温度
超导体从常导态转 变为超导态的温度 ；即电阻突然变为 零时的温度。 由于组织结构不同 ，超导临界温度不 是一个特定的数值 ，而是跨越一个温 度区域；因此实际 超导材料的临界温 度用四个参数表征 。
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超导临界磁场强度Hc
对于超导体，当外加磁场足够强时，会破坏其超导性； 破坏超导态所需的最小的磁场强度称为超导临界磁场强度。 Hc 临界磁场强度为温度的函数， Hc0 表达式为：
当H>Hc2时，正常态。
钒、铌、钽和大多数超导合金及 超导化合物。
第II类超导体比第I类超导体有更高 的临界参数。
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除钒、铌、钽大多数金属元素 金属元素超导体：都是第I类超导体； 钒、铌、钽为第II类超导体。
合金超导体：
绝大多数为第II类超导体；
金属化合物超导体： 绝大多数为第II类超导体；
的磁场和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。
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零电阻现象是超导现象的必要条件,但是电阻
为零叫理想导体≠超导体。
零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个最基本，
而且互相独立的属性。
只有同时具有零电阻和完全抗磁性才能称为超
导体。
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基佐姆实验



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同位素效应的发现

麦克斯韦、雷诺和席林等于1950年各自独立测量了汞同位素 的临界温度，结果发现超导体的临界温度和同位素的质量有 关： a
M Tc 常数

其中M是同位素质量，a=0.50±0.03. 实验表明，电子向超导电子转变的过程不受晶格振动影响， 从实验上启发了人们电子-声子相互作用可能是超导电性的根 源。同位素效应支持了弗列里希基于电子-声子相互作用的超 导电性理论，为解决超导电性的微观图像提供了有益的线索 。

早在1924年，基佐姆首先建议把热力学用于讨论超导态和正常态 之间的相变问题，并与克卢修斯、恩德等人测量了液氦、锡和锌 等元素的比热，发现其在低温下存在跃变，证明了“这变化与超 导向非超导的转变恰好重合，阻碍超导电性产生的磁场，也阻碍 比热变化。向超导的转变与转变热无关。 1933年，厄任费斯托首次提出热力学中二级相变的概念。拉特格 斯将该理论应用于超导体，得出了在超导转变点比热的跃变同临 界场对温度的导数间的关系——拉特格斯公式。 1934年，基佐姆等验证了实验数据与拉特格斯公式的理论值，发 现比热跃变非常吻合，进一步暗示了热力学在超导体研究中的应 用可行性。 1934年，戈特和卡米希尔提出了超导相的二流体唯象模型。
低温超导材料（low temperature superconducting material）
具有低临界转变温度（Tc<30K），在液氦温度条件下工作的超 导材料。分为金属、合金和化合物。 具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )，Tc 为9.3K已制成薄 膜材料用于弱电领域。 合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相 固溶体，Tc 在 9K 以上。 化合物低温超导材料有NbN (Tc=16K)、Nb3Sn ( Tc=18.1K) 和 V3Ga（Tc=16.8K）。NbN多以薄膜形式使用 ，由于其稳定性 好 ，已制成实用的弱电元器件