超导现象 超导现象介绍及应用.

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1 超导现象 超导现象介绍及应用

2 超导介绍 超导现象的发现 超导的微观机理 超导的特性 超导材料 超导技术的应用 未来超导技术的发展

3 超导现象的发现 超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯。
超导现象的发现  超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯。 1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。昂纳斯接着用水银做实验，发现水银在4.1K时（约相当于-269℃），出现了这种超导现象；他又用铅环做实验，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后仍旧毫无衰减。

4 通过研究人们发现：所有超导物质，如钛、锌、汞等，当温度降至临界温度时，皆显出某些共同特征：　

5 超导之性质 电阻为零，一个超导体环移去电源之后，还能保持原有电流．
完全执磁性，这一现象由德国物理学家迈斯纳发现，只要超导材料进入超导状态，便可把磁感线排斥体外，其体内的磁感应强度总是零（迈斯纳效应）．

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7 观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了，这是由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了

8 临界磁场 逐渐增大磁场到达一定值后，超导体会从超导态变为正常态，把破坏超导电性所需的最小磁场称为临界磁场，记为Hc。 正常态 有经验公式：
Hc(T)=Hc(0)(1-T2/Tc2) H 正常态 Hc(0) 超导态 Tc T

9 临界电流 超导体无阻载流的能力也是有限的，当通过超导体中的电流达到某一特定值时，又会重新出现电阻，使其产生这一相变的电流称为临界电流，记为Ic。目前，常用电场描述Ic(V) ，即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流。 Ic(V) I V 失超

10 超导的发现轰动了全世界的科学家，大家纷纷想要揭开超导的奥秘，因为只有了解了超导现象的微观机理，才能使它为人类作出更大的贡献。

11 将近一百年过去了，经过几代科学家的不断探索，人类也对超导的机理有了一个大概的认识。

12 1950年，美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与晶格振动相互作用而产生的。他们都认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它电子形成了超导电流。

13 接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重迭又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。 巴丁 库伯 斯里弗

14 这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。

15 超导材料 1986年8月，IBM的苏黎士研究室的米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种铜氧化合物，它们在35K的温度下电阻接近于0，一下子把超导温度提高了12度；1986年12月，米勒教授和贝德诺兹教授发现了一种新型的陶瓷超导体(此前超导体都是金属)，这种超导体把超导性的临界温度又提高到了38K； 1987年初，美籍华人科学家朱经武教授和他的学生吴茂琨发现了另外一种材料；钇－钡－铜－氧化物，使超导记录提高到了93K。在这个温度区上，超导体可以用廉价而丰富的液氮来冷却。

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17 超导的应用 　　 　　 从目前的研究情况来看，超导技术的应用可分成三类：

18 　　一是用超导材料做成磁性极强的超导磁铁，用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车，以解决人类的能源和交通问题；
高能量粒子超導加速器及碰撞器

19 超導磁浮列車 超導磁流體發電機

20 　　二是用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件，用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备；
超導射頻濾波器

21 约瑟夫森效应 两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U，同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。  

22 　　三是用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗．
醫療用MRI

23 透视身体分毫毕现- MRI 　　2003年10月6日，美国的保罗·C·劳特伯和英国的皮特·曼斯菲尔德被授予了诺贝尔生理或医学奖，因为他们发明了磁共振成像技术，简称MRI。这项技术的发明使得人类能够清清楚楚地看清自己或其他生物体内的器官，为医疗诊断和科学研究提供了非常便利的手段。 　　磁共振成像的临床应用是医学影像学中的一场革命，是继CT (computed tomography,电子计算机X射线断层扫描技术简称) 、B超等影像检查手段后又一新的断层成像方法，与CT相比，MRI具有高组织分辨力和无放射损伤等优点。 　　今天，MRI已用于检查几乎所有的人体器官。它的特殊价值在于提供大脑和骨髓清晰的图像，因为几乎所有大脑疾病都导致大脑水含量的变化，这就可能在MRI图像中表现出来。　　

24 核磁共振 MRI 基本原理：将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经电子计算机处理获得图像。

25 MRI还是外科手术的重要工具。由于MRI可以产生清晰的三维图像，便可以用来查清受损部位的位置，这样的信息在手术前弥足珍贵。MRI图像清晰得足以让电极置入中枢大脑神经核，以治疗剧烈疼痛和帕金森氏疾病的运动障碍。 　　MRI可以精确地揭示肿瘤的范围，由此指导更为精确的手术和放射治疗。在手术前知道肿瘤是否浸润周围组织也相当重要。MRI比其他方式能够更精确地判断组织之间的界线，因此能改进手术质量。MRI还可能区分肿瘤的发展程度，这对选择治疗方式同样至关重要。

26 超导应用的诱人前景不光是实现大电流、大功率的电力无损耗长距离传输，利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮列车、无磨损轴承，同时，利用超导体的电子性可以研制出运算速度更高的电子计算机、高性能微波元件……特别是利用超导可以制造出能测量比人脑磁信号弱几千倍的超导量子干涉仪，从本质上揭示人类大脑的奥秘。总之，21世纪将是超导技术大显身手、异彩纷呈的新世纪。

27 超导体的研究进展： 1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853～1926)发现，当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零。昂尼斯称为超导性。现已发现大多数金属元素以及合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K。其后，人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从超导温度才从水银的4.2K提高到铌三锗的23.22K。

28 1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。1月美国科学家发现钡镧铜氧化物将超导温度提高到30K；紧接着，日本科学家又将超导温度提高到37K；3月由赵忠贤领导的研究组获得了98K超导体，接着又将其温度提高到100K以上；同年美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象；很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃存在超导迹象。

29 超导体的分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。
　 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。 ①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，如铌（Nb，Tc＝9.26K）和铅(Pb，Tc=7.201K) 。 ② 合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。

30 ③超导化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn。其他重要的超导化合物还有V3Ga等。
④超导陶瓷：20世纪80年代发现了镧－钡－铜－氧化物具有Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 

31 参考书目 超导物理基础，韩汝珊 伍勇，北京大学出版社 超导磁体交流损耗和稳定性，刘在海，国防工业出版社
超导电性导论，[美]M.廷哈姆，科学出版社