超导材料

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碳纳米管

  超导材料汉语拼音:Chaodao Cailiao;英语:super conducting materials),在低温条件下能出现超导电性的物质。自1911年H.卡末林-昂内斯发现汞和锡等金属元素具有超导电性以来,已发现在常压下呈现超导电性的金属元素有28种,其中临界温度Tc 最高的是铌(Tc=9.26K)。另有一些元素在高压下呈现出超导电性,例如铯、锶、钡、钪、钇、镥、硅、锗、磷、砷、锑、铋、硒和碲等。利用制成薄膜或非晶无序化通常可提高超导元素的超导转变温度。一些常温下的良导体(如铜、银、金)及铬、锰、铁、钴、镍等铁磁和反铁磁元素迄今未发现有超导电性。

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

理论

  美国物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀、约翰·施里弗提出BCS理论,指出电声耦合的关键作用,较圆满的解释了低温超导。高温超导的理论研究仍在进行中。

  2012年9月,德国莱比锡大学的研究人员宣布了一项进展:石墨颗粒能在室温下表现出超导性。研究人员将石墨粉浸入水中后滤除干燥,置于磁场中,结果小一部分(大约占0.01%)样本表现出抗磁性,而抗磁性是超导材料的标志性特征之一。 虽然表现出超导性的石墨颗粒很少但这一发现仍然具有重要意义。迄今为止,超导体只有在温度低于-110°C下才能够发挥作用。如果像石墨粉这样便宜且容易获得的材料真能在室温下实现超导,将引发一次新的现代工业革命。

用途

  超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉仪(SQUID)已经产业化。 另外,作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn,在商业领域主要应用于医学领域的MRI(核磁共振成像仪)。作为科学研究领域,已经应用于欧洲的大型项目LHC项目,帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。

  产生磁场

  常规导体做磁体时,要产生10万高斯以上的稳态强磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却用水,投资巨大;而超导材料在超导状态下具有零电阻和抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得这么大的稳态强磁场。