神奇的超导：超导简介与超导材料的历史 神奇的超导 罗会仟周兴江 一、什么是超导？ 电阻起源于载流子（电子或空穴）在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼。按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分金属都是良导体，他们在室温下的电阻率非常小但不为零，在10－12 mΩ?cm量级附近。自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的，这就是超导体。当把超导材料降到某个特定温度以下的时候，将进入超导态，这时电阻将突降为零（图1），同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外，导致体内磁感应强度为零，即同时出现零电阻态和完全抗磁性。超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度，一般定义为Tc。微观上来说，当超导材料处于超导临界温度之下时，材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对，这些电子对将同时处于稳定的低能组态，叫“凝聚体”。在外加电场驱动下，所有电子对整体能够步调一致地运动，因此超导又属于宏观量子凝聚现象。对于零电阻态，实验上已经证实超导材料的电阻率小于10－23 mΩ?cm，在实验精度允许范围内已经可以认为是零。如果将超导体做成环状并感应产生电流，电流将在环中流动不止且几乎不衰减。超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序，也称为迈斯纳（Meissner）效应。一个材料是否为超导体，零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征。
超导态下配对的电子对又称库珀（Cooper）对。配对后的电子将处于凝聚体中，打破电子对需要付出一定的能量，称为超导能隙，它反映了电子间的配对强度。一般来说，超导态在低外磁场及低温下是稳定的有序量子态。超导体的一系列神奇特性意味着我们可以在低温下稳定地利用超导体，比如实现无损耗输电、稳恒强磁场和高速磁悬浮车等。正因如此，自从超导发现以来，人们对超导材料的探索脚步一直不断向前，对超导微观机理和超导应用的研究热情也从未衰减。随着对超导研究的深入，一系列新的超导家族不断被发现，它们展现的新奇物理现象也在不断挑战人们对现有凝聚态物理的理解，同时实验技术手段也因此得以加速进步，理论概念更是取得了诸多飞跃。已逾百年的超导研究，在诸多科学家的推动下，依旧不断展示新的魅力！ 金属Hg在4.2K以下的零电阻态
探究高温超导电缆的研发现状和发展趋势辛国骥 发表时间：2018-08-13T17:09:51.327Z 来源：《电力设备》2018年第12期作者：辛国骥 [导读] 摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。 （国网大同供电公司检修公司山西大同 037008） 摘要：在我国快速发展的过程中，高温超导技术的发展，高温超导电缆已经在输电系统中有了实际应用。与传统电缆相比，高温超导电缆具有传输容量大、损耗低、体积小、重量轻、可靠性高、节约资源、环境友好等优势，有望在未来电网发展中发挥重要作用。本文介绍了高温超导电缆的结构及特点、基本设计原理、传输电流与导体层电流分布及交流损耗等技术问题，并对高温超导电缆在交流和直流输电系统中的应用以及目前世界各国对高温超导电缆的研究及成果做了介绍。 关键词：高温超导电缆；现状；发展 引言 随着我国经济的快速发展，用电量在不断增长，对电网传输容量需求也日益增长。高温超导材料在液氮温度的传输电流密度比铜导体高至少两个量级，且采用无污染和火灾隐患的液氮作为冷却介质，因此高温超导电缆在提升电网输电能力，在现有电力系统升级和新电力系统建设中都具有重要应用前景。目前，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术较成熟，相继建成多条超导电缆示范工程。高温超导直流电缆起步较晚，所以目前国内外的直流电缆工程不多，但由于新能源的大量引入，高温超导直流电缆得到了越来越多的重视，各国也纷纷开展了对高温超导直流电缆的研究。本文简要介绍近十几年来国内外有关高温超导电缆研究和开发的进展情况，并对其未来发展趋势和关键技术进行简单介绍。 1高温超导电缆的原理结构 高温超导电缆与传统的普通电缆相比有比较大的差异，其主要结构包括：内支撑芯、电缆导体、绝热层、电气绝缘层、电缆屏蔽层和保护层。1）内支撑芯：通常为罩有密致金属网的金属波纹管，或一束铜绞线。内支撑芯的功能是作为超导带材排绕的基准支撑物。2）电缆导体：由高温超导带材绕制而成，一般为多层。3）绝热层：通常由同轴双层金属波纹管套制，两层波纹管间抽成真空并嵌有多层防辐射金属箔。绝热层的主要功能是实现电缆超导导体与外部环境的绝热，保证超导导体在低温环境下能够安全运行。4）电气绝缘层：高温超导电缆按绝缘层类型的不同可以分成热绝缘和冷绝缘两种，热绝缘超导电缆的电气绝缘层的结构和材料与常规电缆的电气绝缘层相同，位于绝热层外部；冷绝缘超导电缆的电气绝缘层浸泡在液氮的低温环境下。5）电缆屏蔽层和保护层：电缆屏蔽层和保护层的功能是电磁屏蔽、短路保护及物理、化学、环境保护等。 2发展现状 目前国内开展的直流超导电缆工程相对较少，只在河南中孚电解铝厂建有一条示范工程。2009年起，中国科学院电工所与河南中孚电解铝厂股份有限公司合作研制直流超导电缆，该电缆380m长、单相、电压/电流为1.3kV/10kA。电缆一端连接变电站的整流器，另一端连接电解铝厂的母线。2015年开始进行中低压、大电流直流高温超导电缆关键技术的研究。提出了一种新型的自磁屏蔽型高温超导直流电缆结构，旨在消除各层超导带材临界电流的衰减，进而提高直流电缆的电流容量。第一种自屏蔽电缆结构如图24所示，在此种结构的直流电缆中，相邻层的电流方向相反，能有效降低各层带材的磁场。例如，由于第1层与第2层的电流方向相反，它们产生的磁场在第3层处将相互抵消，这样，第3层带材的临界电流将不会受到第1、2层的影响。应用此结构，电缆各层无磁场影响，临界电流几乎等于自场临界电流，超导线利用率高，临界电流几乎无退化，且可以获得任意大的运行电流结构，无电磁泄露。另外，为减少电缆端部带材与电流引线的各层连接数目，降低接触电阻，按照相同思路，同时提出了另外一种结构。两种自屏蔽型结构电缆将有效地提高电缆的载流容量，无电磁辐射、无信息泄露的自磁屏蔽型低压大电流高温超导直流电缆在高保密要求、高稳定性要求的互联网数据中心、军用舰船上等低压大电流输电场合有着重要的应用。 3发展趋势 经过近20年发展，国际上对高温超导交流电缆的研究已取得了很大的进展，技术相对较为成熟，相继建成多条示范工程，国际上几组典型实验运行的高温超导电缆参数情况如图所示），交流高温超导电缆和常规电缆输送容量和电压等级的比较如图所示。对于交流高温超导电缆，冷绝缘结构是其实用结构。但是，电压等级不宜超过340kV，原因之一是电压等级太高，绝缘占据空间大，不能充分体现超导电缆高载流密度特性；原因之二是介质损耗太高，冷却费用大幅度增加，运行不经济。未来交流高温超导电缆技术主要是在220kV及以下电压等级，其传输容量比常规345kV交联聚乙烯电缆还高。此外，虽然国内也有几组超导电缆试验运行，但是长度都在100m及以下，且未见开发具有中间连接装置的超导电缆研发报道。电缆终端、套管、中间连接装置等附件也是未来超导电缆实用化研发的重要部件。
一、超导材料 有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻完全消失，这种现象称为超导电性，具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁感应线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。一般金属（例如：铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失，超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（TC）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体制成的超导发电机，可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯，而且几乎没有能量损失，与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5~10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户，据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线上，在中国每年的电力损失达1000多亿度，若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂；超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车，如已运行的日本新干线列车，上海浦东国际机场的高速列车等；用于超导计算机，高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。 二、能源材料 能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。太阳能电池材料是新能源材料，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。氢是无污染、高效的理想能源，氢的利用关键是氢的储存与运输，美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆及其渗漏，在运输中也易爆炸，储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。 三、智能材料 智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟；形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。另外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。 四、磁性材料 磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。1．软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（μ=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Permalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率μ为铁硅合金的10~20倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。2．永磁材料（硬磁
2014年5月24日 传统超导体简介 LH·ZW 摘要：如今超导体在社会生产中扮演着越来越重要的作用，不管是急速发展着的电子工业 还是磁悬浮列车的发展都与超导体的发展息息相关。并且一直以来有着神秘色彩超导体在我们心目中都是高端得遥不可及的，而当今社会的发展却因之而大放异彩，所以对于超导体的机制及其应用我们还是应该学习的。 关键词：电磁学超导体零电阻现象迈斯纳效应超导发电磁悬浮列车 引言 超导体与电磁相关原理不无关系。超导体没有电阻是一材料宏观表现出来的性质，并且在我们现有的认知当中，当温度到达（升高或降低）该材料的某一临界值时，其温度会变为让人们一直以来都不为理解且震惊的零值，即是不可思议的没有电阻现象。且超导的最具特点与价值的是其完全导电性和完全抗磁性，由此使得其在社会生活生产中扮演着重要的角色。 一．超导体分类 现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种： ?通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。 ?通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体（如果它们可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（如果它们不能用上述理论解释）。 ?通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体：高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。 ?通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如：铅和水银；合金超导体比如：铌钛合金；氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物；有机超导体,比如：碳纳米管。 二．一般超导体（即第一类超导体）的微观机制 1.电阻成因：很多宏观现象可以从微观领域中得到解释。电流是导体中电子的定向移动。电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动。众所周知，在正常导体中，一些电子没有被束缚到个别原子上，而是可以通过正离子的晶格自由运动。而电流通过晶格运动时），特别是金属中电子与晶格缺陷碰撞散射，以及在运动过程中其会与晶格振动相互作用而带来宏观上的电阻现象（1）（2）。这就是电阻的成因。 2.超导形成：由电阻成因知我们欲形成超导则要使得那电磁力的作用得到消除进而使得原子消除振动，从而使得电阻为零形成超导。并且由科学研究知在低温下核外电子运转速率
超导材料的主要应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。下面是有关于超导材料的主要应用的内容，欢迎阅读。 油田超导热洗技术的应用及效果分析【摘要】油井热洗清蜡是保证油井正常生产，是改善井下杆管泵工作环境的重要手段之一。常规热洗清蜡技术存在几方面的问题：1、是常规热洗含水恢复期长，对产量影响较大。2、是常规热洗容易污染地层。3、常规热洗动用车辆多，笨重，成本高。超导热洗工艺弥补了常规热洗的不足，取得了良好的效果。【关键词】油井清蜡超导热洗效果对比 1超导热洗简介 超导热洗工艺技术原理 超导加热器(俗称清蜡机)是油田抽油井洗井清蜡的专用设备。它采用超导传热技术，用油井套管气(天然气)或柴油为热源，将油井产出液(或其它井补充液或水)加热成高温蒸气(或高温液)注入套管环型空间。使油管内的产出液温度逐渐升高，管壁结蜡自上而下逐渐融化，随产出液进入输油管(或油罐)。内阻减小，以达到稳定、降耗、节约成本、不污染油层的目的。 本加热器可清洗日产液量的抽油机井。超导热洗可采用油井产出液自洗、补充水或其它井产出液方法洗井清蜡。两
种方式均采用低压力，低液量，慢升温的热洗工艺。不改变油层的油、水、气流动规律，不污染油层。 油井套压≥，自产气够用时，可用油井自产气为热源，油井有天然气管网，可用天然气做热源，无天然气可用柴油为热源。 超导热洗装置介绍 (1)产品为移动式设备。加热器安装在专用车上。 (2)本加热器按热源分为燃气型、燃油型、燃气燃油两用型三种。 ①燃气型：洗井现场有天燃气管网(压力)，可配备全自动燃气燃烧器和温度自控系统。洗井现场无天然气管网、但附近油井套压≥，自产气够用时，可配备半自动燃气燃烧器和温度自控系统。 ②燃油型：无天然气或天然气不够用的油井，可用柴油为热源、配备全自动柴油燃烧器和温度自控系统。 ③燃气燃油两用型：在同一洗井区域内，有的井有天然气、有的井无天然气，可选择燃气燃油两用型。配备燃气系统、燃油系统各一套。配备温度自控系统一套，自产气够用就用自产气、自产气不够用则用柴油。 3自动控制系统和安全措施 (1)用加热器出口温控表控制燃烧器。温控装置会按照设定好的温度自动工作。温度高时自动关机停火，温度低时
什么叫做高温超导电缆 发布日期：[2008-3-26] 高温超导电缆按传输的电力形式，可分为交流和直流两种；按其结构特点来划分，根据电气绝缘材料运行温度的不同，分为热绝缘或室温绝缘超导电缆（WD）和冷绝缘超导电缆（CD）。热绝缘超导电缆的电气绝缘层与常规电力电缆的绝缘层类似，工作在常温下；冷绝缘超导电缆的电气绝缘层工作在液氮的低温环境下，对绝缘材料的要求更高。当然，也可依照常规电力电缆的分类，分为单相电缆和多相电缆。 热绝缘超导电缆的基本结构，从内到外，依次为：管状支撑物（一般为波纹管，内通液氮）；超导导体层（为超导带材分层绕制）；热绝缘层（为真空隔热套件）；常规电气绝缘层（工作在常温下）；电缆屏蔽层和护层（与常规电力电缆类似）。 冷绝缘超导电缆的基本结构，从内到外，依次为：管状支撑物（内通液氮）；超导导体层（为电缆载流导体）；电气绝缘层（工作在液氮低温环境下）；超导屏蔽层（为超导带材绕制）；液氮回流层（与管状支撑物内的液氮构成液氮回流循环）；热绝缘层（为真空隔热套件）；常规电缆屏蔽层和护层。 终端(Termination)是高温超导电缆结构中的重要组成部分，是HTS电缆和外部其他电器设备之间相互连接的端口，也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口，担负着温度和电势的过渡。终端的结构是和电缆的结构相配套的，冷绝缘结构的电缆，由于多了一层超导屏蔽层和液氮回流层，结构较复杂。 电缆本体的超导导体层和常规金属在液氮环境下连接（SC-NC接头），再由常规金属（电流头）从液氮温度引出过渡到常温，电流头的尺寸经过专门设计，以求温度过渡均匀和整体导热最小。终端的热绝缘结构将尽量降低热漏；电气绝缘保证了电流头的绝缘强度和液氮从地电位（制冷系统）到高电位（电缆终端）的过渡。 德国著名学府和研究院近期发表的一篇文章<1>，共70页，全面从详介绍了当前超导材料的科研和应用现状。加拿大皇后大学发表了一篇文章<2>，系统的总结了元素和简单化合物的超导行为。现试将其部分主要内容，结合一些相关资料，简要归纳如下，供参考A/，引言。 超导现象，自从1911年被发现后，始终是引起人们强烈兴趣的主题。没有电阻的电流意味著在节能，高效和环保等多方面难以想象的巨大经济利益。同时他又不是一个简单的完全导体，还具有在1933年发现的超导体排斥磁场的麦斯纳(M e is s n e r)效应。这是完全导体所无法解释的现象。因此应该把它看作是一种物质的全新热力学状态。<1,2> 随着制冷技术和高压实验技术的发展，特别是1968年时，实验装置所允许的最高压力为25G Pa,而今已达260G Pa.(1G Pa=10197.16k g/c m2~10000k g/c m2).于是越来越多的元素和化合物，都已观察到超导现象。超导已不再是稀有罕见的奇迹，而是相对普偏现象。 1960年后，从有机物中寻找超导体的工作已经开始。1980年第一个有机超导体，te t ra m e t hy l-tet r as e le n a f u lva l e n e-p h o s p h o r u s h exa f lo r id e <(T M T S F)2P F6>出现<13>，Tc 4.2 K.随后又有Tc值提高到10 K的报导.于是研究论文大量涌现。F u l le re n e虽属单体，但结构庞大，近似于有机物。其C60的Tc竟高达33，明显超过了1986年前的最高记录23 K<1>.近期有机超导体的研究，也有很大发展<14>。2001年M g B2超导性能的发现，引起了人们极大的注意。一方面是由于它的Tc值达到了40K,另一方面是因为他的结构简单，制造成本低。在2001年时，已能成吨生产。在此基础之上<1,16>，目前正在寻找进一步提高Tc值的新化合物。B/,应用寻找工业应用永远是推动研究的推动力。从应用角度看，初期的超导材料很容易被外界磁场所抑制。实际应用困难较多。被称为I型超导材料。能在强磁场下保留其超导特性的材料，被称为I I型超导材料，或称硬超导材料。这些材料不像I型超导材料那样临界温度转变很突然，而是有一个过度区。在此区内，Tc值随外加磁场的加大而下降，故有两个临界磁场值，H c1和H c2.<17>。I I型超导由于H c2值较大，其应用领域十分广阔。如N b T i,N b3S n已形成了数十亿欧元的市场分额，作成超导线圈，制成电磁铁，用于M R I或高能物理所用粒子加速器。这些都是常规线圈无法达成的。虽然I I型超导应用潜力很大，但深度冷冻则需要相应的资金，装备和能量。特别是大型设备所需投入很大。在成本上的竞争力还嫌不足。因此许多大型电力系统的设备或部件，尽管作了很多精心设计，都还停留在试运行或示范阶段<17-20>.随着冷冻技术的发展和小型化<21>，许多微型超导电路结合了微型冷冻装置的开发，却已领先进入了市场，如S Q UI D在医疗器械，计算机芯片制造方面的应用等。高温超导滤波器正在向手机渗透
四川理工学院 材料物理性能 高温超导材料论文 【摘要】 在本实验中我们的主要目的是通过通过氧化物高温超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性，即零电阻完全导电性和完全抗磁性。我们还通过此实验对不同的温度计（铂电阻温度计和硅二极管温度计）进行比较。我们采用的是四引线测量法，利用低温恒温器和杜瓦容器测量了超导电性，绘制了超导样品的电阻温度曲线，验证了超导在高温冷却电阻突然降为零的电特性。我们也绘制了磁悬浮力与超导体-磁体间距的关系曲线，对其进行了分析。在进行磁悬浮的实验中我们验证了超导体的混合态效应和完全抗磁性。 关键词： 超导体零电阻温度完全磁效应磁场 一、引言： 1911年H.K.Onnes首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象，此温度也被称为临界温度。根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料和低温超导材料。
但这里所说的高温，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K，这一记录保持了近13年。此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。 高温超导体具有更高的超导转变温度（通常高于氮气液化的温度），有利于超导现象在工业界的广泛利用。高温超导体的发现迄今已有16年，而对其不同于常规超导体的许多特点及其微观机制的研究，却仍处于相当“初级”的阶段。这一点不仅反映在没有一个单一的理论能够完全描述和解释高温超导体的特性，更反映在缺乏统一的、在各个不同体系上普遍存在的“本征”实验现象。 本实验中，我们通过对氧化物超导材料特性的测量和演示，加深理解超导体的两个基本特性；了解金属和半导体的电阻随温度的变化及温差电动势；了解超导磁悬浮的原理；掌握液氮低温技术。 二、原理： 物理原理： 1.超导现象及临界参数 (1)零电阻现象 1911年，卡麦林·翁纳斯用液氮冷却水银线并通以几毫安电流，在测量其电压时发现，当温度稍低于液氮沸点时，水银电阻突然降为零，这就是零电阻现象或超导现象。具有此现象的物体称为超导体。只有在直流条件下才会存在超导现象，在交流下电阻不为零。 临界温度是指当电流，磁场及其他外部条件保持为零或不影响测量时，超导体呈现超导态的最高温度。我们用电阻法测定超导临界温度。 （2）MERSSNER效应 1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，而且，不管加磁场的顺序如何，超导体内磁场总为零。这种现象称为抗磁性即MERSSNER效应。 3）超导体分类 超导体分为两类第1类超导体是随温度变化只分为超导态和正常态，第2类是在超导态和正常态中间部分还存在混合态。 纯金属材料的电阻特性 纯金属材料的电阻产生于晶体的电子被晶格本身和晶格中的缺陷的热振动所散射。ρ=ρL（T）+ρ R，其中ρL（T）表示晶格热振动对电子散射引起的电阻率，与温度有关。ρ r表示杂质和缺陷对电子的散射所引起的电阻率，不依赖与温度，与杂质和缺陷的密度成正比，称为剩余电阻率。 半导体材料电阻温度特性 ρi=1/nie(μe+μp) 本征半导体的电阻率ρi与载流子浓度ni及迁移率μ=μe+μp有关, 因ni随温度升高而成指数上升，迁移率μ随温度增高而下降较慢，故本证半导体电阻率随温度上升而电调下降。 实验仪器及其原理：
超导材料的现状及发展方向自1911年荷兰莱顿实验室的卡末林·昂纳斯首次在4．2K时发现水银零电阻现 象即超导现象以来。人们相继在超导 材料方面取得很多突破，后来在梅斯 勒发现超导体的抗磁性之后， 1934 —1985年后超导物理学理论逐步发 展，超导材料逐步应用于实际科学技 术领域。但由于种种原因，至今超导 物理学理论也不够完善。在这一阶段 人们研究的超导材料临界转变温度 较低。 后来进入高温超导研究阶段，高温超导材料指的是：钇系(92 K)、铋系(110 K)、铊系(125 K)和汞系(135 K)以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁(39 K)。高温超导体属于非理想的第II类超导体。临界磁场和临界电流且比低温超导体更高。同时已对高温超导材料进研究开发，氧化物复合超导材料具有耐用和稳定性好的特点。通过研究浸泡实验表明，超导电性的退化主要来自于杂相及时效过程中的析出相。为了改善薄膜对环境的敏感性，美国西北大学的Mirkin建议把分子单层表面化学改性引入到高温超导铜氧化合物中。 以铋锶钙铜氧系为第一代高温超导带材，它的可加工性优良，在超导强电应用领域占据重要位置。但铋系材料的实用临界电流密度较低，并且在77 K的应用磁场也很低。然而钇钡铜氧化物材料在77 K的超导电性比铋锶钙铜氧材料好的多；但它的可加工性极差，故要做出超导性好的带材通过传统的压力加工和热处理工艺就很难。 随着材料科学工艺技术的发展，近年来一种在轧制金属基带上制造钇钡铜氧超导带材的工艺被称作“第二代”带材。欧洲国家努力开展高温超导材料工艺及应用研究。丹麦已批量制造铋系超导带材。2003年11月我国第一个10m、 10.5kV/1.5kA 三相交流高温超导电缆系统日前在中国科学院电工研究所研制成功，并于成功地进行了试验运行。2011年5月信赢和公司团队研发的世界最大功率的超导限流器刚成功。2011年9月25日，特拉维夫大学的研究小组开发出了一种超导体材料——蓝宝石单晶体纤维，可用于高压电缆输电，输电量是相同直径铜线输电量的40倍。研究人员称这种超导材料将有可能彻底改变电力输送占空间、高损耗的状况。 高温超导材料主要有：膜材(薄膜、厚膜)、块材、线材和带材等类型。薄膜最常用、最有效的两种镀膜技术是：磁控溅射和脉冲激光沉积。还有金属有机
超导材料的性能及应用综述 班级：10粉体（2）班学号：1003012003 姓名：徐明明 摘要：回顾了超导现象的发现及发展，综述了超导电性的微观机理，超导物理学研究的历史和主要成果，介绍了超导电性的几种突出的应用，并指出目前对于超导电性的认识在理论、实验、研究上都是初步的 ,还需要进行更多的和更深入全面的研究。 关键词:超导电性；超导应用；BCS理论；应用 一、超导现象的发现及发展 1908 年, 荷兰莱登实验室在卡茂林- 昂尼斯的指导下, 用液氢预冷的节流效应首次实现了氦气的液化，从而使实验温度可低到4~1K 的极低温区, 并开始在这样的低温区测量各种纯金属的电阻率。1911 年,卡茂林- 昂尼斯[1] 发现Hg 的电阻在4. 2K 时突降到当时的仪器精度已无法测出的程度, 即Hg 在一确定的临界温度T c= 4. 15K 以下将丧失其电阻,这是人们第一次看到的超导电性。昂尼斯也凭这一发现获得了1913 年的诺贝尔物理学奖。后来的实验证明，电阻突变温度与汞的纯度无关，只是汞越纯，突变越尖锐。随后,人们在Pb及其它材料中也发现这种特性:在满足临界条件(临界温度 Tc、临界电流 Ic、临界磁场 Hc)时物质的电阻突然消失,这种现象称为超导电性的零电阻现象。应该指出,只是在直流电情况下才有零电阻现象。从此，诞生了一门新兴的学科——超导。 一直到20世纪50年代,超导只是作为探索自然界存在的现象和规律在研究,1957年Bardeen、Cooper和Schrieffer[2]提出了著名的BCS理论,揭示了漫长时期不清楚的超导起因。1961年Kunzler将Nb3Sn制成高场磁体,开辟了超导在强电中的应用,特别是 1962 年Josephson效应的出现,将超导应用推广到一个崭新的领域。到20世纪70年代超导在电力工业和微弱信号检测应用方面的进展显示了它无比的优越性,但由于临界温度低,必须使用液氦,这就极大地限制了它的优越性。从20世纪70年代起人们就将注意力转向寻找高温超导体上,在周期表
超导输电的现状与发展 电气1312 汤利文 9号 摘要：超导是一项尖端的技术，有所突破之后，对于人们来说会有非同一般的意义。而电的运输更是与我们的生活息息相关，有了超导技术的运用，输电将会变得极致高效。超导输电技术已逐步从实验走向生活，卓越的性能已被认可，具有良好的前景。 关键词：高温超导电缆；原理；节能；发展 引言：随着经济和社会的发展，人们对电能的需求量日益增长，使得电力系统各部分电气紧密连接，电力系统向更大规模方向发展，对电能品质和供电可靠性提出更高要求，对电气设备的环保要求和节能要求更严格。由于中国电力资源和负荷分布不均，使得长距离输电成为必然。而电能在传输中的损耗成为急需解决的突出问题。据统计，传统电线或电缆受铜、铝等基本导电材料电导率限制，2007 年中国在输变电过程中的损耗大约为7.5%(其中线路损耗约占70%左右)。为减少电能输变电过程中的损失，也需采用新型输电方式来实现资源节约型电能输送。作为智能电网基础技术之一，高温超导电缆采用具有很高传输电流密度的高温超导材料作为导体，其诸多优点已在电力工业中引起了越来越多的关注。使用了超导输电之后，那么就可以完全没有电能损失了，这样甚至可以取消目前普遍的高压传输。使用
了超导输电之后，那节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。 原理： 在很低的温度下，物体的所有的电子速率降低，价电子运转在固定的平面上，达到临界温度，价和电子运转速率越来越低。核心习惯于常温下的核外电子快速运转，价和电子运转缓慢，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子，相邻核心又挪用，所有的核心都向某一方向近邻挪用，于是就形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。通俗的讲，超导电缆的电阻非常小，而电缆在传输电能过程中主要的损耗就是电阻造成的。精确的讲，超导电缆还有特殊的结构，因为在交流系统中的阻抗不仅仅是电阻，总的来说，超导电缆有极小的导体电阻和系统阻抗，以大大降低电能传输过程中的损耗。 高温超导电缆： 英语全称High-Temperature Superconducting Power Cable，它由电缆芯、低温容器、终端和冷却系统四个部分组成。其中电缆芯是高温超导电缆的核心部分，包括骨架层、导体层、绝缘层和屏蔽层等主要部件。
超导材料基础知识介绍 超导材料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。 特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 ①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 ②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 ③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（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 ①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 ②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。 ③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic 称为临界电流密度，以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 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
高温超导电缆技术概述 高温超导电缆是高温超导技术的重要应用之一，它集成了超导材料、低温制冷、电力工程、电缆等多学科技术于一身，是21世纪电力传输的新材料，并以其特有的优势，开始在世界范围内应用。 一、概述 超导材料的零电阻特性使其成为电流传输的理想导体。使用超导材料作为导体的电力传输电缆被称为超导电缆。低温超导体应用时以液氦作为冷却剂，液氦的价格很高，这就使低温超导电缆失去了工业化应用的可行性。使用高温超导材料制作超导电缆，可以在液氮的冷却下无电阻地传送电能，由于液氮的价格低廉，使高温超导技术的大规模应用成为可能。（一）高温超导电缆使用的导体材料 目前市场上可以用来制造高温超导电缆的材料主要是银包套的铋系高温超导材料（Bi,Pb）2Sr2Ca2Cu3O10的多芯带材，它的超导临界转变温度为105K～110K，临界工程电流密度为8000～12000A/cm2 。目前世界上最大的生产厂家是美国超导公司（American Superconductor,Co.），其生产能力和产品技术指标都处于领先地位。我国的北京云电英纳超导电缆有限公司的生产能力和产品技术指标也处于世界前列。 （二）高温超导电缆的基本结构 （1）内支撑管：通常为罩有密致金属网的金属波纹管，作为超导带材排绕的基准支撑物，同时用于液氮冷却流通管道；（2）电缆导体：铋系高温超导带材绕制而成，一般为多层；（3）热绝缘层：通常由同轴双层金属波纹管套制，两层波纹管间抽真空并嵌有多层防辐射金属箔，其功能是使电缆超导导体与外部环境实现热绝缘，保证超导导体安全运行的低温环境；（4）电绝缘层：电绝缘层置于热绝缘层外面，因其处于环境温度下，故习惯上被称为常温绝缘超导电缆（或热绝缘超导电缆）。电绝缘层置于热绝缘层里面，电缆运行时处于低温环境，故被称为冷绝缘超导电缆；（5）电缆屏蔽层的护层：电缆屏蔽层和护层的功能与常规电力电缆类似，即电磁屏蔽层，短路保护及物理、化学、环境防护等。 此外，高温超导电缆的结构中还可能包括一些辅助部件，例如电缆导体层间绝缘膜、约束电缆各部份相对位置的包层和调距压条等。 （三）高温超导电缆的附件 （1）制冷系统：高温超导电缆需要低温的工作环境（一般为液氮温区）。制冷系统通常由制冷机组、液氮泵和液氮储罐等部份组成。 （2）电缆终端：是超导电缆和外部其他电气设备之间相互连接的端口，也是电缆冷却介质和制冷设备的连接端口。终端的结构是和电缆的结构相配套的，常温绝缘超导电缆与冷绝缘超导电缆的终端在结构上有很大区别。 （四）高温超导电缆的运行损耗 因导体的电阻为零，所以高温超导电缆在运行时基本没有焦耳热产生。这与常规电缆有很大的差异，常规电缆运行时的主要损耗是产生焦耳热所带来的能量损耗。但交流输电时的磁滞损耗（简称交流损耗）及绝缘材料的介质损耗仍然存在。在计算超导电缆的运行损耗时，还必须考虑为其配套的制冷系统所消耗的能量。一般地说，在传输相同的容量的电能时，高温超导电缆的运行损耗约为常规电缆的50%～60%。 （五）高温超导电缆的分类 （1）按传输电流种类分为直流和交流电缆；（2）按电气绝缘结构分为常温绝缘电缆与冷绝缘电缆；（3）按电缆导体结构分为单芯电缆、三芯平行轴电缆和三芯同轴电缆。
第十章 超导体的基本现象和基本规律 1超导体的正常态和超导态的吉布斯自由能的差为μ0Hc 2(T)，这里Hc 是超导体的临界磁场，说明在无磁场时的超导相变是二级相变，而有磁场时的相变为一级相变。 2二级相变 在发生相变时，体积不变化的情况下，也不伴随热量的吸收和释放，只是热容量、热膨胀系数和等温压缩系数等的物理量发生变化，这一类变化称为二级相变。二级相变的特点是，两相的化学势和化学势的一级偏微商相等，但化学势的二级偏微商不相等。因此在相变时没有体积变化和潜热(即相变热)。在相变点，两相的体积、焓和熵的变化是连续的。故这种相变也称为连续相变(continuous phase transition)。 在发生相变时，有体积的变化同时有热量的吸收或释放，这类相变即称为“一级相变”。 一级相变的特点是两相的化学势相等，但有体积改变并产生相变热。也就是说，在相变点，两相的化学势的一级偏微商不相等。 3简述超导体的两个主要特征。 4试根据超导Ｂ＝０，推导出超导临界温度和外加磁场的定性关系。 5超导体都有哪些主要的物理特征？ 6什么是超导的迈斯纳(Meissner)效应？ 7超导体两个最显著的物性特征是什么？ 8什么是第Ｉ类超导体、什么是第ＩＩ类超导体？二者的本质区别是什么？ 9第一类超导体与第二类超导体对于外磁场的响应有什么区别？ 10简述约瑟夫森（Josephson ）效应。 11在超导体内存在以费米能级为中心, 宽度为?2的能隙，给出超导- 绝缘体-金属结和超导体-绝缘体-超导体结(假设两侧超导体的能隙分别为12?和22?) 的隧穿电流随电压变化的关系
超导现象简介 超导现象：某些物质在温度降低到一定值时电阻会完全消失，这种现象称为超导电性。超导技术的开发和应用对国民经济、军事技术、科学实验与医疗卫生等具有重大价值。 具有超导电性的物质称为超导材料或超导体。超导材料包括金属低温超导材料、陶瓷高温超导材料和有机超导材料等。 发展概况：超导电性是荷兰科学家H.K.昂尼斯1911年发现的，他在做低温实验时，意外发现汞线冷却到4ZK时电阻突然消失了。随后科学家们发现许多金属、合金和金属间化合物也具有这种特性。1933 年，德国人W.迈斯纳发现超导体具有高抗磁性，使磁力线不能透人，人们称之为迈斯纳效应。1957年美国人J.巴丁、LN.库泊、J.R.施里弗共同提出超导微观理论(BCS理论)。1962年，英国人BD.约瑟夫森从理论上预言超导电流能够穿过一层极薄的绝缘体进入另一超导体，形成隧道超导电流。这种约瑟夫森效应随后为实验所证实。1986 年初，美国国际商用机器公司苏黎世研究所的K.A.马勒和J.G.贝诺斯发现，钡钢铜氧化合物在30K时呈现超导电性。这种陶瓷超导材料的发现，为超导技术的发展开辟了新的途径。1986年以前发现的超导材料是良导体金属、合金和金属间化合物，其临界温度最高不过232K，而马勒和贝诺斯发现的超导材料却是氧化物，临界温度比低温超导体高得多，对超导研究具有划时代的意义，世界各国对此都十分重视。1987年中国成立了超导技术专家委员会和国家超导技术联合研究开发中心，统一领导全国的超导研究工作;同年7月美国总统提出《总统超导倡议》，要求政府采取必要措施支持高温超导研究;日本政府和民间企业、大学制订了共同开发超导材料的计划。各国超导科学家以陶瓷材料为对象寻找高临界温度的超导材料，形成了一股世界性的超导研究热，忆钡铜氧化合物、秘锯钙铜氧化合物、铂钡钙铜氧化合物等高温超导材料不断涌现。自1986年以来，中国在高温超导技术攻关中取得了一系列重大成就，在某些领域达到了国际领先水平。超导材料特性超导材料最重要的特性是完全电导性和完全抗磁性。完全电导性是指在一定的温度条件下超导体的电阻为零，在这种状态下，超导体不仅可以无损耗地输送电流，而且在储存电能时也不会有损失。完全抗磁性是指材料一旦进人超导状态，磁力线就不能穿过超导体，其内部磁通量等于零。这两个特性是衡量
浅谈超导材料的超导特性及应用 摘要：作为一种新型材料，超导材料越来越广泛地应用到各个领域，人类对超导电性及其应用将越来越重视。超导材料的应用有着巨大的潜力和发展前景，这是不容置疑的。超导的实用前景似乎既近既远，近者，在人类的生活中已得到了超导电技术带来的好处，如医用的核磁共振成像的超导磁体；同时，在电子器件上的应用，近几年将会在市场上出现。远者，人们会看到例如在微波通讯、计算机器件、储能及平衡电网方面的应用。在总结超导电性的同时，本文将就超导材料的应用作简要的介绍。 关键字：超导、特性、应用、前景 1、超导材料的超导特性 导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，即零电阻，这一现象称为“超导现象”，将具有超导性的物质，称为超导体，超导体如钛、锌、铊、铅、汞等，在超导状态，当温度降至温度（超导转变温度）时，皆显现出某些共同特征。1.1电阻为零。一个超导体环移去电源之后，还能保持原有的电流。有人做过实 验，发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减。 1.2完全抗磁性。这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的， 只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，该超导材料便把磁力线排斥体外，因此其体内的磁感应强度总是零。这种现象称为“迈斯纳效应”。 2、超导材料的应用 2.1 超导应用的巨大潜力 超导态是物质的一种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质。工业、国防、科研上用的大功率发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化。利用超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。用这种探测器制造的超导量子干涉磁强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，也能测量人的脑磁图和心磁图。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯的质量。 因此，超导体显示了巨大的应用潜力。 2.2 超导材料在强电方面的应用