课程（毕业）论文-超导现象及其应用

超导现象及其应用 摘要超导技术作为一项先进的高新技术，越来越受人们的瞩目。本文简述 了超导现象的发现历史，介绍了超导体的基本性质、临界参数、优点以及应用中 存在的问题。由于其优越的特性，超导体在电子学、生物医学、交通运输、电力 系统等多领域得到广泛应用。 关键词卡末林昂纳斯超导现象超导体 当今社会日新月异，科技领域更是不断取得重大的突破。其中超导材料的研 究取得了长足的发展，取得了多项令人骄傲的成绩。 一、超导现象的发现历史 1911年荷兰物理学家卡末林一一昂纳斯（HKOnnes）用液氮冷却水银线并通 以几毫安的电流。在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氮的正常沸点（4.2K） 左右时，水银线的电阻率突然由正常的剩余电阻率（根据固体物理理论，实际的 金属材料由于存在杂质和缺陷对电子运动的散射，在温度趋向绝对零度时，金属 的电阻率将趋近一个定值，称为剩余电阻率。）［1］这说明“纯汞的电阻可以变为 零，至少找不到与零的差异。”任］这就是所谓的零电阻效应或超导电现象。昂纳 斯把这种零电阻物质状态定名为超导态，而把电阻突然消失的温度称为超导转变 温度或超导临界温度，用符号Tc表示。这实际上是人类第一次观察到的超导电 性。昂纳斯的这一结果于1911年4月及5月先后以论文的形式发表出来。 二、超导体 （一）、基本性质 1. 完全导电性（零电阻效应） 当物质的温度下降到某一确定值Tc （临界温度）时，物质的电阻率由有限 值变为零的现象称为零电阻现象，也称为物质的完全导电性。超导状态中零电阻 现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关。131 2. 完全抗磁性（迈斯纳效应） 迈斯纳（M.P.Meissner）和奥克森菲尔德（R.Ochsenfeld）为了验证超导体的磁性 是否真的完全取决于完全导电性，把锡和铅的样品放入不太强的外磁场中冷却到 临界温度Tc以下，使它变成超导态。他们发现原来进入样品中的外磁场完全被 排挤出来，这表明超导体内部的磁感应强度总是为零，即超导体内不允许有磁场 存在，它表明超导体具有完全抗磁性。这一现象称为迈斯纳效应，即完全抗磁性 ⑷ O 3. 约瑟夫森隧道效应 能量在费米能级附近，动量等值反向和自旋相反的两个电子之间通过电子 声子相互作用产生的吸引力最大，它们就形成稳定的束缚态一一库柏电子 对，简称库柏对Cooper Pairo由两片超导体中间夹一薄绝缘层构成的超导体器 件称为超导隧道结或约瑟夫森结，也常称为SIS结。1962年约瑟夫森 B.D.Josephson指出当SIS结的绝缘层只有lnm左右时，在SIS结中除了由正 常电子产生的隧道电流外，还会有由库柏对产生的隧道电流。这种由库柏对产生 的隧道电流称为约瑟夫森隧道电流，库柏对的隧道效应就称为约瑟夫森效应⑸。 4. 同位素效应 1950年5月，美国国家标准局的麦克斯卫Emanwel Maxwell和鲁特格斯大 学的雷诺尔C.A.Reynolols等人在研究汞的超导转变温度时发现超导体的Tc值与 其同位素质量有关，即Tc 8 1/MP p0.5o 1950年5月18日，他们的论文发 表于Physics Review上。这就是物理学中的“超导体同位素效应。这一效应 为揭示超导体的微观本质起到了决定性的作用的。 二 、临界参数 1. 临界温度 当电流、磁场及其他外部条件如应力、辅照等保持为零或不影响转变温 度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度，这个温度称为临界温度， 用符号Tc表示。临界温度Tc是一个由物质本身内部性质确定的、局域的内禀参 量孔 2. 临界磁场 在一定温度下的超导态也可被足够强的磁场破坏。当HHc时，超导态将转 变为正常态。He称为超导体的临界磁场，它是温度的函数。 3. 临界电流 如果改变流过超导体的直流电流，当电流强度超过某一临界值时，即IIc 时，超导体的超导态将受到破坏而回到常导态。Ic称为临界电流。 三 、超导体的分类 依照磁化强度与外加磁场的不同，可以把超导体分为第I类超导体和第II 类超导体。 第I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、 保、锡、锢等。该类超导体的熔点较低，质地较软，亦被称为“软超导体”。第 I类超导体由正常态过渡到超导态时没有中间态，只有一个临界磁场Hco 第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体由正常态转变 为超导态时有一个中间态（混合态）。混合态中有磁通线存在。有两个临界磁场 下临界磁场Hci和上临界磁场Hc2o第II类超导体又可以分为理想第II类超导 体和非理想第II类超导体。在实际上，真正适合于实际应用的材料是非理想第 II类超导体。 三、超导体的优点 超导体与普通导体相比，有以下显著优点 （一）、超导体内没有电阻（或者说电阻很小），几乎没有能量损耗，在电子 仪器、仪表中用超导体代替普通导体可以大大节约能源； （二）、由于超导体体内没有电阻（或者说电阻很小），通电后几乎不发热， 因此用超导体制造的大功率器件和设备不必考虑散热问题； （三）、用小的超导磁体可以产生大功率的磁场； （四）、用超导体可以制成约瑟夫森结，及超导隧道结。 四、超导体的应用 由于超导体具有的种种优点，超导体在很多方面都得到了广泛的应用。 （一）、超导体在电子方面的应用 超导体由于没有热损耗，它是半导体集成电路中理想的内引线材料。它能减 少晶体管和集成管中的热量，还能消除电路中的磁干扰。用超导体做成的内引线, 引线间可以靠的更紧，因而可以缩短运作时间并提高集成电路的集成度。利用约 瑟夫森超导结制成的各种超导器件，具有高灵敏度、噪声低、响应速度快和损耗 小的特点，因此约瑟夫森结可以作为电子计算机的元件，制成速度更快的计算机。 还有很多超导电子器件，如超导量子干涉器、超导混频器、超导数字电路、超导 粒子探测器等，也在当今社会中扮演着越来越重要的角色。 （二）、超导体在生物医学中的应用 超导体在生物医学中的应用主要表现在提供超导磁体来装备各种医疗仪器。 常见的超导磁体医疗仪器有超导核磁共振成像装置（MRI）和核磁共振谱仪 （NMR）等。超导磁体具有体积小、磁场强、损耗小等优点。超导体的广泛应 用使核磁共振仪、心电图、脑电图测试设备等高级医用测绘装置的分辨率大大提 高，这样就能更准确地查明病因，提高医疗水平。 （三）、超导体在交通运输方面的应用 使用超导体研制而成的磁悬浮列车，显示了普通火车无法企及的优势。当前 最快的普通火车时速不超过300km,而日本研制的模拟超导磁悬浮列车已达到 时速577km【8]。超导磁悬浮列车是利用铁轨和列车底部的超导磁体间的斥力作 用，使列车悬浮在铁轨上行驶。这样就可减少列车和地面铁轨间的摩擦力，从而 提高列车行驶的速度。 （四）、超导体在电力方面的应用 由于其优越的特性，超导体在电力方面也得到了广泛的应用。目前开发出的 超导电力设备主要有超导电缆、超导限流器、超导变压器、超导电机和超导储能 装置等。在电力系统中使用超导电力设备，降低了输电损耗