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超导体的特性原理及应用

中国科学技术大学电磁学小论文

论文题目：

超导体的特性、原理及应用

作者：

蒋哥

学号：

PB13206***

指导老师：

周**

日期：

2014.6.9

超导体的特性、原理及应用

1、摘要

超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质；“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。

零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。

自从超导发现至今，超导的研究和超导体的研制已迅速发展，超导体的物质结构及性质已逐渐研究清楚，超导的临界温度已从开始的几开升至二百多开，超导材料得到广泛应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。

2、关键词

超导体零电阻效应迈斯纳效应应用实验验证

三、引言及背景

人类最初发现物体的超导现象是在1911年。

当时荷兰科学家卡·翁纳斯等人发现，某些材料在极低的温度下，其电阻完全消失，呈超导状态。

使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。

经过近100年的发展，临界温度已大大提高，现有的高温超导体用液态氮来冷却即可应用于实际。

高温超导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：

大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。

大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

4、正文

1、超导体的特性及原理

1.1零电阻效应

超导体在一定温度以下，其电阻降为零的现象称为材料的超导电现象。

1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯发现在T＝4.1K下汞具有零电阻效应。

采用四引线电阻测量法可测出超导体的R－T特性曲线，如图所示。

图中的Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度Ts；当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度Tm；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。

由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。

下面对这一特性进行理论分析：

欧姆定律的微分形式：

j=σE

（j为正常电流密度，σ为电导率，E为电场强度）

伦敦方程给出：

偏js/偏t=aE和▽×js=bB

（a=ns*e^2/m，b=-ns*e^2/m，ns为超导电子密度，e，m为电子的电荷与质量,js是超导电流密度）

超导体中总电流密度j为：

j=js+j

（假设j仍服从j=σE）

在直流情形下有：

偏js/偏t=0，由偏js/偏t=aE得E=0，从而应有j=σE=0

定性解释：

在直流情形，全部电流是由超导电子贡献的，因而表现出0电阻。

1.2迈斯纳效应（完全抗磁性效应）

1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：

当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），磁力线不能穿过它的体内。

也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。

需要注意的是超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。

下面对这一特性进行理论分析：

产生迈斯纳效应的原因是：

当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面感生一个无损耗的（零电阻效应——无损耗）抗磁超导电流。

这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。

换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。

早期曾有人认为超导体是一种导电率

等于无穷大的导体，即用纯电学的观点去看超导体。

实际上，这种观点认为超导体与普通导体没有本质区别，其不同之处仅仅在于电导率的大小存在着差异而已，实验证明这种想法是不正确的。

欧姆定律的微分形式

（其中，j是电流密度矢量，E是电场强度，

是电导率）

此外，由电磁学的麦克斯韦方程

可知，若将超导看成是

的导体，超导体中的磁场B应满足方程

上式表明，超导体内的磁场B与时间t无关，或B不随时间改变，而完全由初始条件决定。

即超导体内，如果t=0时，有磁场B，则以后磁场B的大小和方向皆不改变；如果t=0时，超导体内无磁场，则以后恒无磁场。

根据以上的结论，我们可以设计两个实验如下图（实验1先冷却再外加磁场，实验2先外加磁场再冷却），如果认为超导体是

的普通导体，则应出现图（a）的结果，即超导体内有无磁场，完全取决于初始条件，先冷却，后加磁场则超导体内无磁场；先加磁场，后冷却则超导体内有磁场。

但实验结果表明图（a）的情况并未出现。

相反，实验结果是图（b）所示的情况。

无论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内部最终均无磁场。

（a）（b）

即超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的特性。

1.3约瑟夫森效应

当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子能

通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森效应，相应的装

置称为约瑟夫森器件，如图所示。

当通以低于临界电流值I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流I>I0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。

2、超导特性的应用

2.1零电阻效应的应用

2.1.1超导电缆

目前大功率高压输电能量损失高达10%以上,根据超导体的零电阻效应,可以利用超导电缆实现完全没有热损耗的输电过程。

并且超导导线的输运电流密度可达103A·mm-2,为普通导线的500～1000倍,所以超导电缆具有体积小、重量轻、能耗低和传输容量大等优点。

采用超导电缆的电网电压等级可以大大降低,省去了初终端设备,特别适合大容量长距离输电。

2.1.2超导滤波器

超导滤波器是超导材料的先进应用之一，国际上很多公司都在开展这方面的研究。

由于超导体表面电阻为零，用它制出的滤波器达到的特性是常规滤波器所无法比拟的。

基站中安装超导滤波器后，可以显著的提高基站的接收灵度，扩大基站的覆盖范围，提高通话质量，降低对人体健康的影响。

2.1.3超导磁储能系统

利用超导材料制成线圈,经供电励磁产生磁场而储存能量,在需要时再将能量送回电网或作其他用途,这就是超导磁储能系统。

由于储能线圈是由超导体绕成并维持在超导态,所储存的能量几乎可以无损耗地储存下去,因此,其能量转换效率很高,可达95%,以及很快的反应速度,可达几毫秒。

该系统不仅可以用作高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统,还可用于调节电力系统的峰谷、降低电网的低频功率以及无功和功率因素的调节,达到改善电网电压和频率特征,改善系统稳定性的目的。

2.1.4超导发电机

常规发电机采用铜或铝作为导体，重量大，焦耳热高，且发生瞬时过载时会发出很大的噪声。

利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。

超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。

2.2迈斯纳效应的应用

2.2.1超导磁悬浮列车

磁悬浮车是超导技术在交通运输中的重要应用成果，它具有安全、舒适、高速的优点，其它交通工具是无法与之相比的。

下图是磁悬浮车的原理模型图，车身底部截面呈凹形，装有超导电磁体，导轨是铝质的，截面呈凸形。

列车前进时，车身底部的超导电磁体产生的磁场在铝制导轨内引起感应电流，感应电流的磁场排斥车身的电磁铁磁场，使车身悬浮在导轨上，从而使列车在行进过程中受到的摩擦阻力大大减小。

2.2.2超导磁悬浮轴承

利用迈斯纳效应，超导转轴会产生与原磁场方向相反的磁场，磁场的作用力使转轴悬浮而无摩擦，无摩擦的超导轴承是机械中最理想的构件，它的应用会使许多机械面目为之一新。

3、设计实验验证超导体的零电阻效应和迈斯纳效应

3.1验证零电阻效应

1.取一超导圆环置于温度低于其临界温度Tc的环境中；

2.利用电磁感应使环内激发起感应电流；

3.检测环内电流的持续时间，若环内电流能持续下去；

再升高温度至高于Tc，若电流立刻消失，则说明零电

阻效应存在。

3.2验证迈斯纳效应

1.在一个浅平的超导体盘中，放入一个体积很小磁性很强

的永久磁铁，然后把温度降低至低于其临界温度Tc，

使其出现超导性。

2.若观察到小磁铁离开盘面并上升，上升到一定高度后，

小磁铁悬空保持不动，则说明迈斯纳效应存在。

五、结语

超导体有两个基本特性。

其一是零电阻效应，即在超导临界转变温度之下，超导体的电阻降为零。

超导体的另一个基本特性是完全抗磁性,即超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入，这个现象被称为迈斯纳效应。

由于超导态的新奇特性,使超导体有着广泛的应用领域和较高的实用价值。

超导技术必将成为21世纪最热门的高新技术之一。

6、参考文献

［1］胡友秋.程福臻.叶邦角.电磁学与电动力学［M］.

科学出版社.

［2］张裕恒．超导物理（第3版）［M］中国科学技术

大学出版社.

［3］韩德恩.超导物理性质及电力应用技术［M］武汉

理工大学学报（交通科学与工程版）第26卷第2期.

［4］王醒东.张立永.孔梅梅.超导材料的发展及应用

［M］广州化工2011年39卷第22期.

［5］岳小萍.理想导体与超导抗磁性［M］新乡学院学

报：

自然科学版第28卷第4期.