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1、7.1 引 言n固体超导现象的发现及超导体的基本性质n超导电性的研究历史n超导现象的试验研究n超导电性的热力学及唯象理论n超导电性的微观（量子）理论框架n超导电性的应用学习提示学习提示学习提示学习提示主要内容主要内容主要内容主要内容授课思路：实验规律 物理启发理论建立掌握超导电体的基本物理特性及相关理论对超导电性从实验现象到理论的建立过程应有所感悟第1页/共44页7.2超导电性的发现及超导体的基本性质n1908年荷兰物理学家昂内斯（K.Onnes）实现了氦的液化。n1911年昂内斯在研究Hg的低温电阻特性时，意外发现零电阻现象一、零电阻现象的发现一、零电阻现象的发现一、零电阻现象的发现一、零电
2、阻现象的发现 4.00 4.20 4.40 4.00 4.20 4.400.1500.1500.1000.1000.0500.0500.0000.000*T TC C：临界温度临界温度临界温度临界温度在在4.20K附近汞的电阻突降为零附近汞的电阻突降为零R/nFile等利用核磁共振方法车辆超导螺线管内的电流衰变，得出其衰变时间不小于10万年超导零电阻现象被确认第2页/共44页7.2 超导电性的发现及超导体的基本性质n1933年Meissner和Ochsenfeld发现，无论是在磁场中降温使样品进入零电阻态，还是已经是零电阻态的样品移入磁场中，样品中的磁感应强度均为零，即B0.称为迈斯纳效应二、
3、迈斯纳（二、迈斯纳（二、迈斯纳（二、迈斯纳（MeissnerMeissner）效应）效应）效应）效应n迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体B0T TcB=0T 77K)1986年年IBM苏黎世实验室苏黎世实验室La-Ba-Cu-O30K美、中、日科学家美、中、日科学家La-Ba-Cu-OSr-Ba-Cu-O57K1987年年休斯敦大学，朱经武休斯敦大学，朱经武中科院，赵忠贤中科院，赵忠贤Y-Ba-Cu-O98K7.6 高温超导体简介第24页/共44页高温氧化物超导体高温氧化物超导体的结构特点：的结构特点：具有层状钙钛矿型结构具有层状钙钛矿型结构晶格结构中存在晶格结构中存在Cu-O层面层面高温超导体
4、的高温超导体的导电平面导电平面氧含量和分布对性能有氧含量和分布对性能有重要影响重要影响7.6 高温超导体简介第25页/共44页（1）电阻率的温度特性：线性关系电阻率的温度特性：线性关系（2）霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降（3）光电导的反常特性光电导的反常特性（4）超导能隙的各向异性超导能隙的各向异性（5）电子电子电子关联性电子关联性（6）临界磁场高，相干长度却很短临界磁场高，相干长度却很短高温氧化物超导体的反常特性高温氧化物超导体的反常特性 这些反常特性无法用低温超导理论（这些反常特性无法用低温超导理论（这些反常特性无法用低温超导理论（这些反常
5、特性无法用低温超导理论（BCSBCS理论）来解释，理论）来解释，理论）来解释，理论）来解释，对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。7.6 高温超导体简介第26页/共44页高温超导材料的制备高温超导材料的制备高温超导薄膜高温超导薄膜在基片上镀膜在基片上镀膜 膜厚膜厚100 nm100 nm溅射法溅射法分子外延法分子外延法涂布法涂布法机械热加工法机械热加工法照射法照射法蒸汽淀积法蒸汽淀积法混合法混合法脉冲准分子激光法脉冲准分子激光法蒸发法蒸发法化学汽相沉积法化学
6、汽相沉积法设备：研钵设备：研钵 +电炉电炉工艺：混匀原材料工艺：混匀原材料 烧结烧结研磨研磨成形成形 烧结烧结 再研磨再研磨成形成形烧结烧结优点：简单、实用、易于控制或改变合成条件产品优点：简单、实用、易于控制或改变合成条件产品,如如 优质大块样品，优质大块样品，高质量粉料高质量粉料7.6 高温超导体简介第27页/共44页7.7 超导电性的应用举例电能在零电阻输送，完全没有损耗大尺度、强磁场、低消耗2、超导电缆1、超导磁体3、超导储能超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。第28页/共44页五、超导应
7、用五、超导应用由超导材料制备的电子器件由超导材料制备的电子器件由超导材料制备的电子器件由超导材料制备的电子器件7.7 超导电性的应用举例第29页/共44页1.超导磁体：超导磁体：永久磁铁永久磁铁103Gs常规磁铁常规磁铁5105Gs(20吨，高温，兆瓦吨，高温，兆瓦)超导磁铁超导磁铁(530)104Gs（kg，无热量，千瓦），无热量，千瓦）体积小、重量轻、功耗小、输出功率高、体积小、重量轻、功耗小、输出功率高、体积小、重量轻、功耗小、输出功率高、体积小、重量轻、功耗小、输出功率高、磁场强、稳定、均匀磁场强、稳定、均匀磁场强、稳定、均匀磁场强、稳定、均匀7.7 超导电性的应用举例第30页/共44
8、页五、超导应用五、超导应用2.超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车常导型：常导型：常导型：常导型：利用普通直流电磁铁电磁吸利用普通直流电磁铁电磁吸利用普通直流电磁铁电磁吸利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气力的原理将列车悬起，悬浮的气力的原理将列车悬起，悬浮的气力的原理将列车悬起，悬浮的气隙小，一般为隙小，一般为隙小，一般为隙小，一般为10mm10mm左右。时速左右。时速左右。时速左右。时速可达每小时可达每小时可达每小时可达每小时400500400500公里。公里。公里。公里。磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮列车磁悬浮列车速度快、无噪音、不颠簸速度快、无噪音、不颠簸速度快、无噪音、不颠簸速度
9、快、无噪音、不颠簸超导型：超导型：超导型：超导型：利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮的线圈相互作用，产生电动斥力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较大，一般为的气隙较大，一般为的气隙较大，一般为的气隙较大，一般为100mm100mm左右。时速可达每小时左右。时速可达每小时左右。时速可达每小
10、时左右。时速可达每小时500500公公公公里以上。里以上。里以上。里以上。JamesR.Powell和和GordonT.Danby7.6 超导电性的应用举例第31页/共44页五、超导应用五、超导应用1972年，年，日本，日本，第一辆超导磁悬浮原理车第一辆超导磁悬浮原理车1979年年,日本日本,时速时速504公里公里1999年年4月，月，日本，日本，时速时速552公里公里日本研制的磁悬浮列车日本研制的磁悬浮列车7.7 超导电性的应用举例第32页/共44页五、超导应用五、超导应用西南交通大学研制出世界上第一台载人西南交通大学研制出世界上第一台载人西南交通大学研制出世界上第一台载人西南交通大学研制出
11、世界上第一台载人高温超导磁浮实验车！高温超导磁浮实验车！高温超导磁浮实验车！高温超导磁浮实验车！中国研制的高温超导磁悬浮实验车中国研制的高温超导磁悬浮实验车7.7 超导电性的应用举例第33页/共44页世界第一条商业化运作的磁浮列车世界第一条商业化运作的磁浮列车世界第一条商业化运作的磁浮列车世界第一条商业化运作的磁浮列车2002200220022002年年年年12121212月月月月30303030日试运行！日试运行！日试运行！日试运行！上海磁浮列车上海磁浮列车7.7 超导电性的应用举例第34页/共44页电力能源方面：电力能源方面：输电电缆、发电机、电动机、变压器超导化输电电缆、发电机、电动机、
12、变压器超导化超导储能系统超导储能系统大型电机设备形状与性能的革命大型电机设备形状与性能的革命能源工业：能源工业：超导贮能调节电网负荷超导贮能调节电网负荷超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变超导磁体约束的等离子体和可能产生的核聚变高温超导实用化高温超导实用化诱人前景诱人前景电子学方面：电子学方面：超导计算机研究：超导计算机研究：计算速度高，体积小，功耗低，使用方便计算速度高，体积小，功耗低，使用方便信息储存量大信息储存量大医学和生物方面：医学和生物方面：核磁共振计算机断层诊断装置核磁共振计算机断层诊断装置(NMR-CT)超导量子干涉仪超导量子干涉仪(SQUID)7.7 超导电性的应用举例第3
13、5页/共44页考试重点n分离变量方法，单电子近似，谐阵子能量（一维、三维）n倒易点阵，Bragg方程，布里渊区n晶格振动的色散关系，声学和光学振动，声子，德拜模型，态密度，晶体导热n金属的费米面，态密度，接触势差，电子的速度，周期性边界条件n能带的物理意义及起源分析，Bloch定理的物理解释及能带的普遍性及性质，金属、半导体、绝缘体的能带差别，每个能带填充的电子数目、能带填充情况与固体导电性的差别。n半导体的有效质量，载流子浓度及半导体电阻率与温度的关系，p-n结的整流特性。n原子磁矩，铁磁物质的起源（3d交换模型），技术磁化n超导现象，零电阻和麦斯纳效应考试时间：11月21日（周三），18：
14、0020：00考试地点：A41、A42、A51第36页/共44页多余的话与大家共勉第37页/共44页文如其人德为先n发表论文是途径而不是目的n踏实认真是立足于学界的基本保证n人生漫长，不为蝇头小利而失大节饱学之士，正人君子，饱学之士，正人君子，饱学之士，正人君子，饱学之士，正人君子，无不谦谦自律、温润如玉 无有不受人尊敬者无知之辈，奸猾小人无知之辈，奸猾小人，无不洋洋自得、骄横狂妄 无有真受人尊敬者 大学之道，在于明德，在于至于至善第38页/共44页贵在创新学为本n物格而知至，知至而心明，心明而身正万事可成矣。n基础薄弱，创新无本，学问无根。n不急不燥，金子一定会发光。1.基础知识、基础理论必
15、须掌握2.最新研究进展必须把握 源头活水，水到渠成，清者自清第39页/共44页学如攀登勤为径n愚亦拙；n智亦拙；n唯勤能补拙。天道酬勤第40页/共44页结 语n攻读硕士是人生的重要经历，愿大家一路健康走来，为成就一番事业奠定坚实的基础。n学实为己，学不为人，科学研究不是为了在别人面前显示自己；做学问也不是文人相轻，愿大家做谦谦君子温润如玉。n做基础研究的同学一定要记住，学问是在全国乃至全世界范围内做的，这种比赛没有银牌，只有金牌。n不必拘泥于预定的目标，发现新现象后，即可调整研究方案。n不要处处挖坑，处处不见水，看准方向，努力坚持，必成“正果”。n宝剑锋从磨砺出。第41页/共44页青出于蓝而胜于蓝！The God helps only them who help themselves!结 语人人人人无无无无远远远远虑虑虑虑，必必必必有有有有近近近近忧忧忧忧！请请请请精精精精心心心心设设设设计计计计自自自自己己己己的的的的人人人人生生生生路路路路程程程程！Zeweil 接受瑞典国王颁发Nobel奖第42页/共44页谢谢！请记住：照亮你每一次夜行的那盏明灯其实就是你自己！也请记住：我们没有可能选择昨天，但我们可以把握今天，设计明天！祝愿大家前程似锦！祝愿大家前程似锦！祝愿大家前程似锦！祝愿大家前程似锦！第43页/共44页感谢您的观看。感谢您的观看。第44页/共44页