超導體原理及應用 陳引幹 成功大學 材料科學及工程學系 2007高中物理教師研習營 Jan. 16.

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1 超導體原理及應用 陳引幹 成功大學 材料科學及工程學系 2007高中物理教師研習營 Jan. 16

2 導讀流程: “斜線”皆可請超連結進入每個主題!! 何謂高溫超導體? (1)零電阻 超導應用 場冷磁浮(影片觀賞) 零場冷磁浮(影片觀賞)
第一類超導 (1)零電阻 原理、意義與觀念釐清篇(神奇的超導磁浮現象) 第二類超導 高溫超導體2個特殊性質與3個限制因素 (2)反磁效應 超導三大限制因素 超導應用 場冷磁浮(影片觀賞) 零場冷磁浮(影片觀賞) 超導塊材 超導歷史簡介 實驗安全

3 超導磁浮創意競賽- 　　　　　　　初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇篇 高溫超導? 磁懸浮? 磁浮? 返回導讀頁面

4 神奇的超導磁浮現象?? 利用零場冷過程完成磁浮 (2)利用場冷過程完成磁浮 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(1/10)
磁懸浮 ( 吳茂昆博士常戲稱為 「姜太公現象」 ) 輔助教學影片 利用零場冷過程完成磁浮 零場冷 (2)利用場冷過程完成磁浮 輔助教學影片 場冷 返回導讀頁面

5 將磁鐵靠近超導體時，會感受到反磁作用力且磁束無法穿過超導體
超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(2/10) 利用“零場冷過程”使磁鐵磁浮圖文說明 將磁鐵靠近超導體時，會感受到反磁作用力且磁束無法穿過超導體 迫使磁鐵靠近超導體使磁束貫穿超導體 手放開後，最後磁浮情況通常會傾斜 磁鐵 N S 超導體 磁鐵磁力線 先利用液態氮將超導體冷卻至超導臨界溫度以下 液態氮(綠色部份 回上頁 返回導讀頁面

6 利用“場冷過程”使磁鐵磁浮圖文說明 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(3/10) 回上頁 返回導讀頁面
液態氮(綠色部份) 冷卻超導體 抽開墊片 磁浮體相當穩定不傾斜 給超導體一固定間距的磁場 利用液態氮冷卻超導體 磁鐵磁力線 超導體 磁鐵 墊片 回上頁 返回導讀頁面

7 場冷比零場冷對超導體鎖磁效果好 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(4/10) 返回導讀頁面
除了冷卻的過程的差異之外，零場冷和場冷所引發的效果也不一樣。場冷狀態下冷卻的超導體，磁力線分佈於超導體內的對稱性與均勻性比較好；因而，它的磁鎖定效果、磁浮和懸浮穩定性都比較好。由於在冷卻前，已有外加的磁場介入，磁力線在超導現象未產生時，就已經穿透到超導體內了；即使在降到臨界溫度以下，產生超導現象時，穿透的磁力線會被均勻的釘扎在超導體內的一些特殊的微結構中，此時鎖磁效果較佳。 零場冷的鎖磁效果較差，因為在冷卻前沒有外加的磁場介入，高溫超導體內沒有釘扎的磁力線。在超導態時，把磁場強加壓迫進去，因為超導體有反磁力，磁場難以進入超導體內，只有少數磁束會被超導體內特殊的微結構釘扎住，所以在磁場進入超導體内的過程中，必定不會像場冷過程般的穩定、均勻，磁束能否順利的被釘扎住，與兩個因素有關，包括超導體與磁鐵距離的大小，還有超導體內特殊的微結構分佈。因此，一般而言，場冷過程的磁浮狀況都會比零場冷過程來的效果較佳。 返回導讀頁面

8 兩個重要超導特殊性質 (1) 零電阻 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(5/10)
當到達臨界溫度時,超導的特質之一是零電阻。一般的導體，電阻是因原子熱振動或晶格缺陷等,阻礙電流流動所造成；但在超導狀態下，自旋相反的成對電子所組成的古柏偶對（Cooper pair），在傳導時不受晶格中離子的妨礙，因此形成零電阻現象，電流不會有所損耗,而成為永久電流. 當絕對溫度掉到4.2K時，汞的電阻值幾乎為零 返回導讀頁面

9 Discovery of High Temperature Superconductors (HTS) 高溫超導材料發現的歷史
Could it be you? HTS (still ~ C) 1987朱經武(C.W.Chu)、吳茂昆(M.K.Wu) discovered YBaCuO with Tc > 77K Air = 78% N2 1913 Nobel 1988 Nobel 75 yrs

10 Eddy Current Demonstration (2)完全反磁效應 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(6/10)
超導體的內部磁通量為零，磁力線無法進入超導體，這個性質又稱為「麥士那效應（Meissner effect）」。這種現象產生的過程是： 當超導體放入磁場中時，超導體和一般導體一樣會產生感應電流，而超導體的電阻為零，因此只要磁場存在，電流就能一直流動，此電流即為「屏蔽電流」。屏蔽電流在超導體周圍產生與外部磁場方向相反的磁場，因而阻擋外部磁場進入(如右圖所示)。 超導體 一般導體 Eddy Current Demonstration 返回導讀頁面 牛頓雜誌 56期 1988年 1月號

11 第一類超導體(Type I) 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(7/10)
外加磁場一旦超過超導臨界磁場值，超導狀態便消失，讓所有外加磁場穿過。 磁場不斷施加直到超過臨界磁場 則磁力線穿過超導體 Ref: 國立成功大學材料工程學系 陳引幹教授 高溫超導材料與其磁浮上之應用 回上頁 返回導讀頁面

12 第二類超導體(Type II) 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(8/10) Type II 超導體:
有兩個臨界磁場值(Bc1, Bc2)，當外加磁場超過較低的一個(Bc1)，內部 則有少數的地方不具超導特質，使磁力線可以穿過。一直到外加磁場超過另一上限值(Bc2)，超導態才消失，讓所有外加磁場穿過。 回上頁 返回導讀頁面 Ref: 國立成功大學材料工程學系 陳引幹教授 高溫超導材料與其磁浮上之應用

13 超導態 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(9/10) 釔鋇銅氧(Y-Ba-Cu-O)超導體產生超導態的條件
超導態乃未超過臨界磁場(Hc)、臨界電流密度(Jc)、(臨界溫度Tc)之內部範圍: (X,Y,Z軸與紅色曲線包圍住 之範圍區域為超導態) 超導態 返回導讀頁面

14 不同種類超導體之三個限制因素範圍示意圖 超導磁浮創意競賽-初級版教材之原理、意義與觀念釐清篇(10/10)
90 K 100 T 105 (A / cm2) 106 107 103 40 K 18 K 24 T 40T 9 K 14T LaBaCuO 鑭鋇銅氧陶瓷 Nb3Sn 錫化三鈮 金屬化合物 YBaCuO 釔鋇銅氧陶瓷 NbTi 鈮鈦合金 Y-Ba-Cu-O 三個限制因素所圍的範圍最大,即超導性質的應用可較廣~ 返回導讀頁面

15 Applications of superconductor 超導之應用
Power transmission 電力傳輸, Magnetic Levitation (Maglev) 磁浮列車, Motor /Generator 超導馬達/發電機, Nuclear Magnetic Resonance (NMR)/ Magnetic Resonant Imaging (MRI) 超導線圈

16 超導磁浮創意競賽- 　　　　　　　初級版教材之應用篇 返回導讀頁面

17 超導線材之應用 超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(1/15)
製成超導線或帶,繞成線圈,導入電流,產生磁場用途: Power transmission 電力傳輸 超導線材相較於一般線材的不同在於沒有能量的消耗，因為超導的零電阻特性，電子在晶格中運動並不會與晶格碰撞產生熱能，也就不會有能量損耗的問題出現！！ NbTi 低溫超導線材 Bi系 高溫超導線材 返回導讀頁面

18 3 phases HTS transmission cable design高溫超導傳輸電纜的設計
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(2/15) 3 phases HTS transmission cable design高溫超導傳輸電纜的設計 由於低溫的需求，超導線材必須有平行的液氮管道保持冷卻，液氮在定點的區間內循環，難免的，氣化的部分需要再進行液化，這些困難都可以解決，但經濟效應大為減低！ 返回導讀頁面 美國Underground System, Inc.

19 SC transmission Cable Exp超導電纜的測試
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(3/15) SC transmission Cable Exp超導電纜的測試 十萬voltage的高壓電必須高架或是身埋地底，並以介電材料覆蓋，減少對環境安全的負面效應。超導輸電線可用大電流、低電壓，沒有這方面的顧慮而且節省能源，有利於環保 返回導讀頁面 參考: 何建民 低溫、超導、磁浮，台灣書店印行 p

20 Black out in 大规模的停电 Power grid failure

21 超導磁鐵之應用 超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(4/15) 超導磁鐵 應用 返回導讀頁面 核磁共振 影像 超導磁浮 列車 超導馬達與
Maglev 核磁共振 影像 NMR/MRI 超導馬達與 發電機 Motor/Generator 超導磁鐵 應用 超導磁性 儲能 SMES 高能物理實驗 High Energy Physics 磁流體動力 MHD 返回導讀頁面

22 超導磁鐵之應用----- (1)超導磁浮列車
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(5/15) 超導磁鐵之應用 (1)超導磁浮列車 磁浮列車的優點： (1)省能源 (2)低噪音 (3)高速: (550 km/hr) 真空中(1600 km/hr) 日本Yamanachi (山梨線) 磁浮列車 SC magnet 返回導讀頁面

23 日本Yamanachi (山梨線) 超導磁浮列車-推進原理:
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(6/15) 日本Yamanachi (山梨線) 超導磁浮列車-推進原理: 被安裝在軌道兩旁牆上的推進線圈是由變電所所提供之3相交變電流，產生變換的磁場，使得軌道兩旁之推進線圈的電流一正一反不斷地流動，車上裝設之超導磁鐵(低溫超導線圈)便會受到推進線圈產生的變換磁場有著連續的吸引力與推進力，速度的調整，則由可將電流做正反轉的周波數來決定，周波數的轉換，又由地上發電廠的周波數裝置來操作。 軌道兩旁牆上的推進線圈 返回導讀頁面 超導磁鐵

24 超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(7/15)
車體懸浮原理: 安裝在軌道旁之8字形線圈,當裝有超導磁鐵的車身以低於8字形線圈軸心位置快速通過時， 8字形線圈會因感應出電流而成為一電磁鐵，此結果使得超導磁鐵會有一推力及拉力使之向上,所以車身便可磁浮起。 軌道之側向力: 軌道上的磁浮線圈面對面的連結而形成迴路，當正在跑的磁浮車(也就是超導磁鐵)產生側向移動時，迴路會感應出電流，使得對於較靠近軌道的超導磁鐵產生推力，反之較遠離軌道的超導磁鐵則產生吸引力，如此便能使磁浮車車身安全的位在軌道中心的位置。 返回導讀頁面

25 超導磁鐵之應用---(2)超導磁鐵在高能物理的應用
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(8/15) 超導磁鐵之應用---(2)超導磁鐵在高能物理的應用 返回導讀頁面

26 超導磁鐵之應用---(2)超導磁鐵在高能物理的應用
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(9/15) 超導磁鐵之應用---(2)超導磁鐵在高能物理的應用 帶 電 粒 子 的 運 動 速 度 或 方 向 改 變 時 會 放 射 出 電 磁 波 。 當 電 子 以 接 近 光 速 飛 行 ， 受 到 磁 場 的 作 用 而 發 生 偏 轉 時 ， 便 會 因 相 對 論 效 應 沿 著 偏 轉 的 切 線 方 向 ， 放 射 出 薄 片 狀 的 電 磁 波 ， 這 就 是 「 同 步 輻 射光 」 。 由 注 射 器 產 生 之 電 子 經 由 傳 輸 線 進 入 儲 存 環 ， 電 子 在 環 中 經 過 偏 轉 磁 鐵 或 插 件 磁 鐵 會 放 射 出 同 步 輻 射 光 ， 同 步 輻 射 再 經 過 光 束 線 到 達 實 驗 站 ， 研 究 人 員 便 可 使 用 同 步 輻 射 光 進 行 實 驗 。 國家同步輻射研究中心 返回導讀頁面

27 Comparison of Traditional Generator vs. SC generator.傳統發電機和超導發電機的損耗比較
Advantage of SC Generator Higher Efficiency Lower weight and volume

28 超導磁鐵之應用 --- (4) 超導磁鐵在醫療上的應用-NMR-CT
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(11/15) 超導磁鐵之應用 --- (4) 超導磁鐵在醫療上的應用-NMR-CT 所謂核磁共振，是具有核磁矩的物質在一定的恆定磁場和交變磁場同時作用下，會對變化的電磁場產生強烈的共振吸收現象。利用高溫超導體製程的線圈可以通過極大的電流而產生極強的磁場，可以比一般磁鐵高兩個數量級，檢測的靈敏度取決於所加磁場的大小，磁場越大，氫的共振訊號越強得到的圖越清晰，從而提高早期診斷可能性。 返回導讀頁面 美國General Electric Medical System提供

29 A large SC magnet inside
Nuclear Magnetic Resonance (NMR)/ Magnetic Resonant Imaging (MRI) 超導磁鐵在醫療上的應用-NMR-CT (p.1) 所謂核磁共振，是具有核磁矩的物質在一定的恆定磁場和交變磁場同時作用下，會對變化的電磁場產生強烈的共振吸收現象。利用高溫超導體製程的線圈可以通過極大的電流而產生極強的磁場，可以比一般磁鐵高兩個數量級，檢測的靈敏度取決於所加磁場的大小，磁場越大，氫的共振訊號越強得到的圖越清晰，從而提高早期診斷可能性。 A large SC magnet inside 美國General Electric Medical System提供

30 Magnetic Resonant Imaging (MRI) 超導磁鐵在醫療上的應用-NMR-CT (p.2)
醫學獎 Peter Mansfield England, U. of Nortinheim Paul C. Lauterbur USA U. of Illinois-Urbana-Champian See details in Brain 奇異公司網站 2003 Nobel Medical price

31 超導磁鐵之應用 --- (5) Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)超導磁性儲能
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(12/15) 超導磁鐵之應用 --- (5) Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)超導磁性儲能 TcSUH Flywheel (朱唯幹教授) 德州超導中心製作的飛輪儲能 1. 可長期無損耗地儲存能量，其轉換效率可達95%。 2. 可通過採用電力電子器件的變流器實現與電網的連接，回應速度快（毫秒級）。 3. 由於其儲能量與功率調製系統的容量可獨立地在大範圍內選取，可建成所需的大功率和大能量系統。 4. 除了真空和製冷系統外沒有轉動部分，使用壽命長。 5. 在建造時不受地點限制，維護簡單、污染小目前美國、日本、德國等一些發達國家在超導儲能裝置方面的研究上投入了大量的人力和物力，並且有許多在建的超導儲能裝置。 返回導讀頁面

32 超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(13/15)
磁浮軸承與飛輪儲能 (Magnetic Levitation Bearing and Flywheel Energy Storage)----磁浮地球儀 說明: 超導體放入此容器中 將超導體置入架上之容器中並倒入液態氮使之產生超導態，強磁鐵和單晶粒Y–Ba–Cu–O超導塊材之間利用場冷過程可使磁鐵磁旋浮起並保持固定的距離，以及無接觸、無磨擦的磁懸浮特性。因此地球儀可以完全無接觸地懸掛在空氣中，並可以接近無摩擦、無接觸在空中旋轉(僅有與空氣之摩擦力)。 鎖磁力 ，非接觸 返回導讀頁面

33 Advantages of HTS-filter (高溫超導濾波器優點)
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(14/15) Advantages of HTS-filter (高溫超導濾波器優點) 超導體在超導態下電阻為零，意味著超導體的熱噪音十分小，利用超導體做成的的濾波器，自然可以將前級放大器中的熱噪音消除，又不引入新的熱噪音，提高了訊噪比 說明: HTS RF filter with Cryostat 優點: 增加基地台的覆蓋範 (Cellular phone base stations coverage) 減少基地台數量 (more channels) 增進通話品質 增長手機使用時間 減少不必要的電磁輻射 返回導讀頁面

34 超導故障限流器(superconductor Fault Current Limiter)
超導磁浮創意競賽-初級版教材之應用篇(15/15) 超導故障限流器(superconductor Fault Current Limiter) 超導故障限流器（SFCL）是利用超導體的超導/正常態轉變特性，快速而有效地限制電力系統故障短路電流的一種電力設備。SFCL的工作原理是短路電流超過超導體的臨界電流，引起超導體失超，超導體從超導態轉變為正常態，限流器呈現很大阻抗，短路電流得以限制。SFCL具有如下的優點： 1. 增大電力系統的安全性和可靠性； 2. 提高電力質量； 3. 與現有的電力系統保護設施相容； 4. 減少電力系統線路中的斷路器和熔斷器的使用，延緩電力設備的更新以降低成本； 5. 提高系統的運行容量。 專家們預言，就超導技術在電力系統中的應用而言，最先得到實際應用的將可能是超導限流器。 返回導讀頁面

35 超導磁浮創意競賽- 　　　　　　　初級版教材之超導塊材篇 返回導讀頁面

36 頂端接種熔融成長法(TSMG)---- TypeII 高溫超導塊材 超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(1/7) 晶種 塊材
競賽使用之YBCO單晶塊材~ 返回導讀頁面

37 超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(2/7)
1.高溫超導塊材製程 非超導相 液相 原料 壓成生胚 長晶熱處理過程 返回導讀頁面

38 充氧前 Y1Ba2Cu3O6 立方晶結構(非具超導相) 充氧後 Y1Ba2Cu3O7 斜方晶結構 (具超導相)
超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(3/7) 高溫超導體結構: 充氧前 Y1Ba2Cu3O6 立方晶結構(非具超導相) 充氧後 Y1Ba2Cu3O7 斜方晶結構 (具超導相) 具斜方晶結構之高溫超導體方可使用!! 返回導讀頁面

39 Y-Ba-Cu-O高溫超導結構圖: 超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(4/7) 返回導讀頁面
釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7)其晶格結構為鈣鈦礦結構(Perovskite)(左圖)。 返回導讀頁面

40 超導體的材料-- (超導體為金屬? 合金? 高分子? 陶瓷?) (1) 傳統超導體(即低溫超導體):
超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(5/7) 超導體的材料-- (超導體為金屬? 合金? 高分子? 陶瓷?) (1) 傳統超導體(即低溫超導體): 多以合金為主，Tc較低。較常見的有Hg、Nb3Sn、Nb-Al-Ge 及其中Tc最高的Nb3Ge等 例: Nb3Ge : Nb : Ge (2)高溫超導體: 1986年發現的高溫超導體，不同於以往的金屬或合金， 它實際上是一種陶瓷。為氧化物，且多為含銅之氧化 物，Tc較高。 返回導讀頁面

41 高溫超導氧化物的不同形態性質的差異： 最好 好 最差 超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(6/7) 大 說明: 臨 界 電 流 密 度
小 大 好 最好 最差 大 說明: 不同形態性質的高溫超導氧化物其內部臨界電流以(1)超導薄膜 (HTS Thin Film)最佳, (2)超導單晶粒塊材(HTS Single Crystal Bulk次之,(3)超導多晶粒塊材(HTS Poly crystal Bulk )則為最差 臨界磁場 返回導讀頁面

42 不同磁浮力大小與不同超導塊材性質有關!! 超導磁浮創意競賽-初級版教材之超導塊材篇(7/7) 磁磁能力的表現上: 返回導讀頁面
Magnetic Levitation(g) Diameter(cm) 超導單晶粒塊材(A) 超導多晶粒塊材(c) 超導多晶燒結塊材(D) (A)超導單晶粒塊材 直徑2.5 cm x 厚度0.5 cm (B)超導單晶粒塊材 直徑1.9 cm x 厚度0.1 cm (c)超導多晶粒塊材 晶粒方向不一,平均晶粒~0.5 cm (D)超導多晶燒結塊材 晶粒方向不一,平均晶粒~0.05 cm 超導單晶粒塊材(B) 磁磁能力的表現上: (A)>(B)>(c)>(D) 返回導讀頁面

43 超導磁浮創意競賽- 　　　　　　初級版教材之實驗安全篇 返回導讀頁面

44 超導磁浮創意競賽-初級版教材之實驗安全篇(1/4)
磁鐵使用(1)~ (a)鈮鐵硼磁鐵有高磁場(為鈮鐵硼稀土材料、較一般鐵、鈷、鎳材料組成的磁鐵磁力來得強)，具磁性之物體或易 被消磁之卡片勿靠近，如信用卡、提款卡、手錶、手機、硬碟。 (b)磁鐵強度在表面處約為2000~2500(gauss) ，鐵磁物品需遠離強力磁鐵，避免周遭物品以相當的速度被吸附，人員如在附近可能有危險。 (c)強力磁鐵應遠離鐵磁性尖銳物，如鐵釘。 返回導讀頁面

45 磁鐵使用(2)~ (e)使用磁鐵時，應戴著手套，以防止夾傷。
超導磁浮創意競賽-初級版教材之實驗安全篇(2/4) 磁鐵使用(2)~ (d)應置放強力磁鐵於收納盒內，可包裹厚絕緣層（報紙、保麗龍或珍珠板），以避免周遭磁性物體的吸附。 (e)使用磁鐵時，應戴著手套，以防止夾傷。 磁鐵置放區要標示清楚(將數片磁鐵推疊在一起、磁鐵強度會增加，但並非是累加的效果 )。 (f)使用磁鐵時，應於周圍設立警戒區，告知強力磁鐵之危險性。 (g)高磁場會引起心律調整器或是醫學植入裝置故障，需標明邊緣磁場範圍，限定特定的人進入範圍。 返回導讀頁面

46 液態氮使用~ 超導磁浮創意競賽-初級版教材之實驗安全篇(3/4)
(a)液態氮汽化是正常現象，所以將之舀至保溫杯後，切勿旋緊保溫杯蓋，以免氣體壓力過大，引起氣爆，發生危險。 (b)液態氮為低溫液體，溫度為 –196 °C（77K)，為避免低溫涷傷，請小心使用，不能直接觸摸，建議老師從旁指導。 (c)不要拿金屬等導熱良好的物體，直接浸入液態氮，皮膚可能會因”黏住”而凍傷。 (d)請不要在密敝的空間下，長時間使用液態氮,以防止過多揮發的氮氣造成窒息的危險。 返回導讀頁面

47 超導塊材使用~ 高溫超導塊材為本實驗室費時耗力生產，其得之不易，請同學們要注意以下事項：
超導磁浮創意競賽-初級版教材之實驗安全篇(4/4) 超導塊材使用~ 高溫超導塊材為本實驗室費時耗力生產，其得之不易，請同學們要注意以下事項： (1)YBCO超導塊材為一陶瓷材料，此材料易脆，使用時請小心，勿掉落造成塊材的損壞、破裂。 (2)YBCO超導塊材易受水氣侵蝕而裂化，故在使用完時請盡速利用純度高的酒精浸泡後,再用吹風機吹乾，以增加超導塊材的使用壽命。 返回導讀頁面

48 超導磁浮創意競賽- 　　　　　　　初級版教材之歷史篇 返回導讀頁面

49 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(1/13)
1911年 H. Kamerlingh Onnes發現汞(Hg)在絕對溫度4.2度附近呈現超導性(獲1913年諾貝爾物理獎) 1913年 發現Pb於溫度7.2K時具超導性。 1914年 Onnes以鉛(Pb)超導體製作線圈證明永久電流之存在 1930年 發現Nb，Tc=9.2K為所有純金屬最高者 1932年 W. Meissner及R. Oschenfeld發現超導體具有完全抗磁性，證明超導性之相轉變是熱力學相變 1933年 Meissner & Ochsenfeld提出超導狀態下之完全反磁性(Perfect Diamagnetic)，又稱梅氏效應 1934年 C.J. Gorter及H. B. Casimir提出二流體模型解釋超導現象 ，說明超導體內的電子分超導電子和常超導電子兩種。 F. London及H. London由二流體模式提出所謂London model，解釋梅氏效應，定義穿透深度  (penetration depth)為超導體的特性長度，即靜磁場下磁力線穿透超導體表面深度，在此深度範圍內，磁力線密度呈現指數衰減。 返回導讀頁面

50 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(2/13)
1937年 L.D. Landau提出外磁場下的超導中間態的結構模型 1950年 E.Maxwell和C.A.Reynolds發現超導體的同位素效應 Tc ~ M-β Vitaly Ginzburg & Lev Landau首先提出超導體內的超導電子並非局部化觀念，即超導電子並非完全單獨的存在，彼此間可能些關聯。電子間可能有關聯的最長距離稱為相干長度(Coherent Length)。 (Landau1962年與Ginzburg2003年獲諾貝爾物理獎) 1956年 L. N. Cooper提出一對電子間如存在吸引力，即可形成一束縛態的概念(s-wave電子對) 1957年 Alexei Abrkosov研究超導體在外加磁場下的行為發現兩種不同性質，將其分類為第一類和第二類超導體(Type-I and Type II Superconductor)。 預測第二類超導體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理獎) 返回導讀頁面

51 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(3/13)
1957年 J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解釋超導現象的微觀理論：BCS理論，當超導體變成超導狀態時，超導體內的的超導電子是以成對存在的，稱古柏對(Cooper Pair)。超導電子在晶格間運動時沒有能量損失因為成對的超導電子之一在運動時和晶格互撞把能量傳給晶格，隨後晶格又將能量交給第二個電子，因此沒有能量損失。 (三人獲1972年諾貝爾物理獎) 1958年 J. Hulm及B. T. Matthias發現A15結構超導體，得到Tc＞20K之超導材料。 1959年 J. G. Giaever發現導體的單電子隧道效應 1962年 B. D. Josephson提出超導電子對的穿隧效應 (獲1973年諾貝爾物理獎) 1975年 首先發現金屬氧化物BaPb1-xBixO具超導性，Tc=13K。 1979年 F. Steglich發現重費米子超導體 返回導讀頁面

52 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(4/13)
1980年 D. Jerome發現第一個有機超導體 1986年 K. A. Müller及 G. Bednorz發現第一個高溫超導體 LaBaCuO Tc > 30K (兩人獲1987年諾貝爾物理獎) 1987年 朱經武和吳茂昆發現第一個高於液態氮的超導體YBa2Cu3O7-δ Tc~92K 1988年 H. Maeda，發現Bi系(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)銅氧化物 Tc~110K Sheng & Herman ，發現Tl系(Tl2Ba2Ca2Cu3O10)銅氧化合物 Tc~125K 1993年 A.Schilling et. al. ，發現Hg系(HgBa2Ca2Cu3O8)銅氧化合物 Tc~134K (Hg系銅氧化合物為目前常壓下Tc最高之化合物) ，在高壓下為164K 2001年 J.Nagamatsu et. al. ，發現MgB2介金屬化合物Tc ~40K (為目前Tc最高之介金屬化合物) 返回導讀頁面

53 1957年,J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解釋超導現象的微觀理論：BCS理論
重要歷史紀事(1): 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(7/13) 1957年,J. Bardeen, L. N. Cooper及R. J. Schrieffer提出解釋超導現象的微觀理論：BCS理論 零電阻產生的原因 BCS理論: 美國巴丁(John Bardeen) 柯伯(Leon N. Cooper) 施里弗(John R. Schrieffer) 三人為了解超導材料的性狀而創立的的一種綜合性理論,(BCS即為三人姓氏字母構成) 。 當超導體被冷卻到低於臨界零度時,其電阻會消失,柯伯發現超導體中電子都集結成對,也因此命名為「柯伯對」超導體中全部的柯伯對運動都是相關的, 返回導讀頁面 ~資料整理自大英百科全書~

54 重要歷史紀事(2): 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(8/13) 諾貝爾物理獎 1957年, Alexei Abrkosov研究超導體在外加磁場下的行為發現兩種不同性質，將其分類為第一類和第二類超導體(Type-I and Type II Superconductor)。 預測第二類超導體於高磁場下其磁通束以三角晶格排列的點陣排列(Abrkosov2003年獲諾貝爾物理獎) Alexei A. Abrikosov 美國國家阿崗實驗室 返回導讀頁面

55 1986年,第一個高溫超導發現:鑭鋇銅氧(La-Ba-Cu-O)的化合物
重要歷史紀事(3): 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(9/13) 1986年,第一個高溫超導發現:鑭鋇銅氧(La-Ba-Cu-O)的化合物 在1986年超導物理經過一個新革命. Muller和Bednorz發現了鈣鈦礦結構“高溫超導體”La-Ba-Cu-O.科學家花了六十多年的時間把低溫超導體的臨界溫度 (critical temperature，Tc)提高20K(絕對溫度)左右﹐但令人震驚的在一年以內鈣鈦礦結構超導體的臨界溫度從三30K提高到100K左右。 IBM公司的研究員Muller和Bednorz 返回導讀頁面

56 液態氮溫度以上(>77K)高溫超導體的發現團隊
重要歷史紀事(4): 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(10/13) 1987年,朱經武和吳茂昆發現第一個高於液態氮的超導體 YBa2Cu3O7-δ ，Tc~92K 液態氮溫度以上(>77K)高溫超導體的發現團隊 返回導讀頁面

57 1934 ,考取中英庚款留英公費，赴英入劍橋大學物理研究所，作貝他及迦瑪放射線研究。1936,從事極低溫超導研究。
超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(11/13) ◎第一個研究超導的中國人：李國鼎先生 生平記事: 1934 ,考取中英庚款留英公費，赴英入劍橋大學物理研究所，作貝他及迦瑪放射線研究。1936,從事極低溫超導研究。 返回導讀頁面

58 超導磁浮創意競賽-初級版教材之歷史篇(12/13)
◎高溫超導臨界溫度(critical temperature ，Tc)的歷史 不同系列銅氧化合物高溫超導體之臨界溫度一覽表 何謂臨界溫度?? 釔系超導 描述超導體時，一個重要指標是「臨界溫度」（critical temperature, Tc），這是指當逐漸升高到某個溫度時，超導材料的超導現象會突然消失，這個溫度即是此材料的超導臨界溫度。也就是說超導現象只有在溫度低於Tc時才出現，高於此溫度則轉變成電阻不為零的正常態。 鉍系超導 鉈系超導 汞系超導 返回導讀頁面

59 第六屆全國高中生高溫超導磁浮創意 競賽~~高溫超導相關知識(初級版)
歡迎各位來自全國最優秀的高中(職)生參與第六屆全國高中生超導磁浮創意競賽，初級版高溫超導相關知識教材提供參與競賽的各位同學高溫超導相關的資料和知識，分成(1)原理、意義與觀念釐清篇;(2)應用篇;(3)超導塊材篇和(4)實驗安全篇(5)歷史篇等五大主題，詳加研讀與吸收後，相信能夠提昇各位對高溫超導的認知與興趣!! 主旨: 指導單位：國科會/教育部 主辦單位：吳茂昆院士 中央研究院 物理所 陳引幹教授 國立成功大學 材料科學與工程學系 謝孟達教授 國立成功大學 工業設計系 黃俊夫博士 國立科學工藝博物館 蕭述三教授 國立中央大學 機械工程學系 于富雲教授 國立成功大學 教育研究所 游麗卿教授 國立台南大學 教育學系 朱耀明教授 國立高雄師範大學 工業科技教育學所 陳斐卿教授 國立中央大學 學習與教學研究所 參閱網站: