超導(dǎo)材料論文 超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展

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1、材料科學(xué)概論論文題目：超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展摘要：具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料稱為超導(dǎo)材料。從1911年荷蘭物理學(xué)家翁奈首先發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有優(yōu)越的物理性質(zhì)和優(yōu)越的性能，目前已被廣泛接受和認(rèn)同，具有良好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：超導(dǎo)材料；分類；性質(zhì)；應(yīng)用；原理；展望1、引言1911年荷蘭物理學(xué)家翁奈在研究水銀低溫電阻時(shí)首先發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些金屬、合金和化合物在低溫時(shí)電阻也變?yōu)榱?，即具有超?dǎo)現(xiàn)象。物質(zhì)在超低溫下

2、，失去電阻的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性；相應(yīng)的具有這種性質(zhì)的物質(zhì)就稱這超導(dǎo)體。超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景。目前，超導(dǎo)材料已被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，本文擬就超導(dǎo)材料的分類、性質(zhì)、應(yīng)用、原理等方面展開(kāi)論述，以幫助人們更好的認(rèn)識(shí)超導(dǎo)材料。2、分類2.1按成分分為：元素超導(dǎo)體、合金和化合物超導(dǎo)體，有機(jī)高分子超導(dǎo)體三類。2.2按Meissner效應(yīng)分為：第一類超導(dǎo)體：超導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有一同的規(guī)律，如圖a所示：當(dāng)HHc時(shí)，B=μH，即在超導(dǎo)態(tài)內(nèi)能完全排除外磁場(chǎng)，且只有一個(gè)值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體。第二

3、類超導(dǎo)體：如圖b所示，第二類超導(dǎo)體的特點(diǎn)是：當(dāng)H0而B(niǎo)<μH，磁場(chǎng)部分穿透。當(dāng)H>Hc2時(shí)，B=μH，磁場(chǎng)完全穿透。也就是在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間有一種混合態(tài)存在，Hc有兩個(gè)值Hc1和Hc2。釩、鈮、釕及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體都是屬于第二類導(dǎo)體。1、性質(zhì)3.1零電阻性超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)電阻為零，能夠無(wú)損耗地傳輸電能。如果用磁場(chǎng)在超導(dǎo)環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實(shí)驗(yàn)中觀察到。超導(dǎo)體的零電阻現(xiàn)象與常導(dǎo)體零電阻在實(shí)質(zhì)上截然不同。常導(dǎo)體的零電阻是指在理想的金屬晶

4、體中，由于電子運(yùn)動(dòng)暢通無(wú)阻，因此沒(méi)有電阻；而超導(dǎo)體零電阻是指當(dāng)溫度降至某一數(shù)值Tc或以下時(shí)，其電阻突然變?yōu)榱?。電阻率ρ與溫度T的關(guān)系見(jiàn)右圖　　3.2完全抗磁性1933年邁斯納和奧爾德首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體具有完全抗磁性的特點(diǎn)。把錫單晶球超導(dǎo)體在磁場(chǎng)(H≦Hc)中冷卻，在達(dá)到臨界溫度Tc以下時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去；或者先把超導(dǎo)體冷卻至Tc以下，再通以磁場(chǎng)，這時(shí)磁通線也被排斥出動(dòng)；如圖所示。即在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.這就是邁斯納效應(yīng)。3.3約瑟夫森效應(yīng)兩超導(dǎo)材料之間有一薄絕緣層（厚度約1nm）而形成低電阻連接時(shí)，會(huì)有電子對(duì)穿過(guò)絕緣層形成電

5、流，而絕緣層兩側(cè)沒(méi)有電壓，即絕緣層也成了超導(dǎo)體。當(dāng)電流超過(guò)一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U（也可加一電壓U），同時(shí)，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波，其頻率為，其中h為普朗克常數(shù)，e為電子電荷。這些特性構(gòu)成了超導(dǎo)材料在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域越來(lái)越引人注目的各類應(yīng)用的依據(jù)。3.4同位素效應(yīng)　　超導(dǎo)體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Tc是4.18開(kāi)，而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146開(kāi)。1、基本臨界參量4.1臨界溫度外磁場(chǎng)為零時(shí)超導(dǎo)材料由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)(或相反)的溫度

6、，以Tc表示。Tc值因材料不同而異。已測(cè)得超導(dǎo)材料的最低Tc是鎢，為0.012K。到1987年，臨界溫度最高值已提高到100K左右。4.2臨界磁場(chǎng)使超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)破壞而轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以Hc表示。Hc與溫度T的關(guān)系為Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0為0K時(shí)的臨界磁場(chǎng)。4.3臨界電流和臨界電流密度通過(guò)超導(dǎo)材料的電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)使超導(dǎo)態(tài)破態(tài)而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，以Ic表示。Ic一般隨溫度和外磁場(chǎng)的增加而減少。單位截面積所承載的Ic稱為臨界電流密度，以Jc表示。超導(dǎo)材料的這些參量限定了應(yīng)用材料的條件，因而尋找高參量的新型超導(dǎo)材料成了人們研究

7、的重要課題。以Tc為例，從1911年荷蘭物理學(xué)家H.開(kāi)默林－昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人們發(fā)現(xiàn)的最高的Tc才達(dá)到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理學(xué)家K.A.米勒和聯(lián)邦德國(guó)物理學(xué)家J.G.貝德諾爾茨發(fā)現(xiàn)了氧化物陶瓷材料的超導(dǎo)電性，從而將Tc提高到35K。之后僅一年時(shí)間，新材料的Tc已提高到100K左右。這種突破為超導(dǎo)材料的應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前景，米勒和貝德諾爾茨也因此榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。2、超導(dǎo)機(jī)理當(dāng)前在闡明超導(dǎo)機(jī)理的幾種理論中，二流體模型是較有說(shuō)服力的，較為流行的一種。二流體模型認(rèn)為：超

8、導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，傳導(dǎo)電子分為兩部分，一部分叫常導(dǎo)電