高温超导
高温超导材料特性测试和低温温度计
引言
一 实验目的
1. 了解高临界温度超导材料的基本特性及其测试方法。
2. 了解金属和半导体
pn 结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应。
3. 学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法。
二 实验原理
(一) 高临界温度超导电性
1911 年，卡麦林?翁纳斯(H. Kamerlingh Onnes, 1853 ? 1926)用液氦冷却水银线并通以几毫安的电流，在测量其端电压时发现，当温度稍低于液氦的正常沸
点时，水银线的电阻突然跌落到零，这就是零电阻现象或超导电现象．实际超导体的电阻-温度关系曲线如图1 所示，人们引进起始转变温度
oncet
c T , 、零电阻
温度0c T 和超导转变(中点)温度cm T (或c T
)等来描写超导体的特性．为了减小自热效应对测量的影响，超导样品中通过的电流应尽可能小(毫安量级)。
由于数字电压表的灵敏度的迅速提高， 用伏安法直接判定零电阻现象已成为实验室中常用的方法之一。
1933 年，迈斯纳(W.F. Meissner,1882 ? 1974)
和奥克森菲尔德(R. Ochsenfeld)发现，不 图 1 超导体的电阻转变曲
论是在没有外加磁场或有外加磁场的情况下使锡和铅
样品从正常态转变为超导态， 只要T < c T
，在超导体内部的磁感应强度i B 总是等于零的，这个效应称为迈
斯纳效应，表明超导体具有完全抗磁性。这是超
导体所具有的独立于零电阻现象的另一个最基本的性质．迈斯纳效应可用磁悬浮实验来演示。 在超导现象发现以后，人们一直在为提高超导临界温度而努力，然而进展却十分缓慢，1973 年所创立的记录(Nb3Ge, c T = 23. 2 K)就保持了
12 年。
1986 年4 月，缪勒(K.A. M üller)和贝德罗兹(J.G. Bednorz)宣布，一种钡镧铜氧化物的超导转变温度可能高于30 K ，从此掀起了波及全世界的关于高温超导电性的研究热潮，在短短的两年时间里就把超导临界温度提高到了110 K ，到1993 年3 月已达到了134 K 。
迄今为止，已发现28 种金属元素(在地球常态下)及许多合金和化合物具有超导电性，还有些元素只在高压下才具有超导电性。在表1中给出了典型的超导材料的临界温度
c T (零电阻值)。
温度的升高，磁场或电流的增大，都可以使超导体从超导态转变为正常态，因此常用临界温度
c T 、临界磁
场c B 和临界电流密度c j
作为临界参量来表征超导材料的超导性能．自从1911年发现超导电性以来，人们就一直设法用超导材料来绕制超导线圈——超导磁体。但令人失望的是，只通过很小的电流超导磁体就失超了，即超导线圈从电阻为零的超导态转变到了电阻相当高的正常态。直到1961年，孔兹勒(J.E.Kunzler)等人利用Nb3Sn 超导材料，绕制成了能产生接近9T 磁场的超导线圈，这才打开了实际应用的局面。例如，超导磁体两端并接 一超导开关，可以使超导磁体工作在持续电流状态，得到极其稳定的磁场，使所需要的核磁共振谱线长时间地稳定在观测屏上。时，这样做还可以在正常运行时断开供电电路，省去了焦耳热的损耗，减少了液氦和液氮的损耗。
(二) 金属电阻随温度的变化
电阻随温度变化的性质，对于各种类型的材
料是很不相同的，它反映了物质的内在属性，是研究物质性质的基本方法之一。
在绝对零度下的纯金属中，理想的完全规则排列的原子(晶格)周期场中的电子处于确定的状态，因此电阻为零。温度升高时，晶格原子的热振动会引起电子运动 图2 铂
的电阻温度关系 状态的变化，即电子的运动受到晶格的散射而出现电阻
i R 。理论计算表明，当T >2D Θ 时，
i R ∝T
，其中D Θ
为德拜温度.实际上，金属
中总是含有杂质的，杂质原子对电子的散射会造成附加的电阻．在温度很低时，例如在4. 2 K 以下，晶格散射对电阻的贡献趋于零，这时的电阻几乎完全由杂质散射所造成，称为剩余电阻r R ，它近似与温度无关。当金属纯度很高时，总电阻可以近似表
达成
r i R T R R +=)(
在液氮温度以上，
)(T R i >> r R ，因此有)(T R R i ≈。例如，铂的德拜温度D Θ为225 K ，在液氮温度以
下，铂的电阻温度关系如图35-2 所示；在液氮正常沸点到室温的温度范围内，它的电阻)(T R R i ≈ 近似地
正比于温度T ，铂电阻温度计的电阻温度关系，可近似地表示为
B AT T R +=)(
或
b aR R T +=)(
其中A 、B 和a 、b 是不随温度变化的常量。因此，根据我们给出的铂电阻温度计在液氮正常沸点和冰点的电阻值，可以确定所用的铂电阻温度计的A 、B 或a 、b 的值，并由此可得到用铂电阻温度计测温时任一电阻所相应的温度值。
在合金中，电阻主要是由杂质散射引起的，因此电子的平均自由程对温度的变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验中所用的标准电阻和电加热器就是用锰铜线绕制而成的。 (三) 半导体电阻以及
pn 结的正向电压随温度的变化
半导体的导电机制比较复杂，电子(-
e ) 和空穴
(+
e ) 是致使半导体导电的粒子，常统称为载流子。在纯净的半导体中，由所谓的本征激发产生载流子；而在掺杂的半导体中，则除了本征激发外，还有所谓的杂质激发也能产生载流子，因此具有比较复杂的电阻温度关系。一般而言，在较大的温度范围内，半导体具有负的电阻温度系数。这一特性正好弥补了金属电阻温度计在低温下灵敏度明显降低的缺点。在低温物理实验中，锗电阻温度计、硅电阻温度计、碳电阻温度计、渗碳玻璃电阻温度计和热敏电阻温度计等都是常用的低温半导体电阻温度计。与半导体具有负的电阻温度系数类似，在恒定的工作电流下，硅和砷化镓二极管pn
结的正向电压也会随着温度的降低而升高，如图3 所示。用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高。由于二极管温度计的发热量较大，常把它用作为控温敏感元件。
实际上，利用半导体pn
结的正向电压随温度的变化关系还可以进行相关的物理研究。 图 3 二极管的正向电压温度关系 例如， 在恒定的小电流(100
A μ)下，近似地有 ：
g U KT ＋正向≈U ，
其中K = ? 2.3mV/K ，0
q g U 是0 K 时半导体材料的禁带宽度，硅材料约为1.20eV 。
(四) 温差电偶温度计
如果将两种金属材料制成的导线联成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度，则在该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知的温度，例如液氮的正常沸点77. 4 K ，则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一接
触点的温度，从而构成了温差电偶温度计．这种温度计十分简便，特别是作为温度敏感部分的接触点体积很小，常用来测量小样品的温度以及样品各部分之间的温差。应该注意到，硅二极管
pn 结的正向电压U 和温差电动
势E 随温度T 的变化都不是线性的，因此在用内插方法计算中间温度时，必须采用相应温度范围内的灵敏度值。
三 实验装置和电测量线路
( 一 ) 低温物理实验的特点
( 1 ) 使用低温液体(如液氮、液氦等)作为冷源时，必须了解其基本性质，并注意安全。 ( 2 ) 进行低温物理实验时，离不开温度的测量。对于各个温区和各种不同的实验条件，要求使用不同类型和不同规格的温度计。因此，我们必须了解各类温度传感器的特性和适用范围，学会标定温度计的基本方法。 ( 3 ) 在液氮正常沸点到室温的温度范围，
一般材料的热导较差，比热较大，使低温装置的各个部件具有明显的热惰性，温度计与样品之间的温度一致性较差。
( 4 ) 样品的电测量引线又细又长，引线电阻的大小往往可与样品电阻相比。对于超导样品，引线电阻可比样品电阻大得多，四引线测量法具有特殊的重要性。
( 5 ) 在直流低电势的测量中，克服乱真电动势的影响十分重要。特别是，为了判定超导样品是否达到了零电阻的超导态，必须使用反向开关。 ( 二 ) 低温恒温器和不锈钢杜瓦容器
为了得到从液氮的正常沸点77.4 K 到室温范围内的任意温度，采用如图4所示的低温恒温器和杜瓦容器。液 图4 低温恒温器和杜瓦容器的结构 氮盛在不锈钢真空夹层杜瓦容器中，拉杆固定螺母(以及与之配套的固定在有机玻璃盖上的螺栓)可用来调节和固定引线拉杆及其下端的低温恒温器的位置。低温恒温器的核心部件是安装有超导样品和温度计的紫铜恒温块，此外还包括紫铜圆筒及其上盖、上下档板、引线拉杆和19 芯引线插座等部件。本实验的主要工作，是在液氮正常沸点附近的温度范围内(例如140 K 到77 K)测量超导转变曲线，并在全温区标定温度计。为了使测量超导转变曲线时降温速率足够缓慢，又能保证整个实验在3 小时内顺利完成，我们安装了可调式定点液面指示计，可以用来简便而精确地使液氮面维持在紫铜圆筒底和下档板之间距离的1/2 处。
电加热器线圈由温度稳定性较好的锰铜线无感地双线并绕而成。调节电加热器的电流，可以使恒温器升温或稳定。
为使温度计和超导样品具有较好的温度一致性，我们将铂电阻温度计、硅二极管和温差电偶的测温端塞入紫铜恒温块的小孔中，并用真空脂将待测超导样品粘贴在紫铜恒温块平台上的长方形凹槽内。超导样品与四根电引线的连接是通过金属铟的压接而成的。此外，温差电偶的参考端从低温恒温器底部的小孔中伸出(见图4 和图5)，使其在整个实验过程中都浸没在液氮内。
( 三 ) 电测量原理及测量设备
电测量设备的核心是一台标称为“BW2型高温超导材料特性测试装置”的电源盒和一台灵敏度为1V
μ的PZ158 型直流数字电压表。BW2型高温超导材料特性测试装置主要由铂电阻、硅二极管和超导样品等三个电阻测量电路构成，每一电路均包含恒流源、标准电阻、待测电阻、数字电压表和转换开关等五个主要部件。
( 1 ) 四引线测量法
图5 紫铜恒温块(探头)的结构
电阻测量的原理性电路如图6 所示．测量电流由恒流源提供，其大小可由标准电阻
n R 白茫茫上的电压
n U 的测量值得出，即n n R U I =。如果测量得到
了待测样品上的电压
x U ，则待测样品的电阻x R 为
n n x
x x R U U I U R ==
由于低温物理实验装置的原则之一是必须尽可能
减小室温漏热，因此测量引线通常是又细又长，其阻
值有可能远远超过待测样品(如超导样品)的阻值。
为了减小引线和接触电阻对测量的影响，通常采用国际上通用的标准测量方法——“四引线测量法”，即每个电阻元件都采用四根引线，其中两根为电流引线，两根为电压引线。图 6 四引线法测量电阻
恒流源通过两根电流引线将测量电流
I提供给待测样品，而数字电压表则是通过两根电压引线来测量电流I 在样品上所形成的电势差U。由于两根电压引线与样品的接点处在两根电流引线的接点之间，因此排除了电流引线与样品之间的接触电阻对测量的影响；又由于数字电压表的输入阻抗很高，电压引线的引线电阻以及它们与样品之间的接触电阻对测量的影响可以忽略不计。
( 2 ) 铂电阻和硅二极管测量电路
在铂电阻和硅二极管测量电路中，提供电流可微调的单一输出的恒流源，它们输出电流的标称值分别为
1mA和100V
μ
；两个内置的灵敏度分别为10
V
μ
和100
V
μ
的4 1/2 位数字电压表，通过转换开关分别测
量铂电阻、硅二极管以及相应的标准电阻上的电压，由此可确定紫铜恒温块的温度。
( 3 ) 超导样品测量电路
由于超导样品的正常电阻受到多种因素的影响，因此每次测量所使用的超导样品的正常电阻可能有较大的差别．为此，在超导样品测量电路中，采用多档输出式的恒流源来提供电流．在本装置中，该内置恒流源共设
标称为100
V
μ
到100
mA的六档电流输出，其实际值由串接在电路中的10Ω标准电阻上的电压值确定．为了
提高测量精度，使用一台外接的灵敏度为1
V
μ
的5 1/2位PZ158 型直流数字电压表，来测量标准电阻和超导样
品上的电压．为了消除直流测量电路中固有的乱真电动势的影响，我们在采用四引线测量法的基础上还增设了电流反向开关，用以进一步确定超导体的电阻确已为零。
( 4 ) 温差电偶及定点液面计的测量电路
利用转换开关和PZ158型直流数字电压表，可以监测铜?康铜温差电偶的电动势以及可调式定点液面计的指示。
( 5 ) 电加热器电路
BW2型高温超导材料特性测试装置中，一个内置的直流稳压电源和一个指针式电压表构成了一个为安装在探头中的25
Ω锰铜加热器线圈供电的电路。利用电压调节旋扭可提供0 ~5 V 的输出电压，从而使低温恒温器获得所需要的加热功率。
( 6 ) 其他
利用一根两头带有19 芯插头的装置连接电缆，可将BW2型高温超导材料特性测试装置与低温恒温器连为一体．在每次实验开始时，学生必须利用所提供的带有香蕉插头的面板连接导线，把面板上用虚线连接起来的两两插座全部连接好。只有这样，才能使各部分构成完整的电流回路。
1 低温恒温器(俗称探头，其核心部件是安装有高临界温度超导体、铂电阻温度计、硅二极管温度计、铜-康铜温差电偶及25
Ω锰铜加热器线圈的紫铜恒温块)；
2 不锈钢杜瓦容器和支架；
3) PZ158 型直流数字电压表(5 1/2位,1
V
μ
)；
4 BW2 型高温超导材料特性测试装置(俗称电源盒)，以及一根两头带有19 芯插头的装置连接电缆和若干根两头带有香蕉插头的面板连接导线。
本实验的测量线路图如图7所示。
图7 实验电路图
四实验内容
高温超导材料特性(电阻)的测量及低温温度计的比对．
( 一 ) 液氮的灌注
使用液氮时一定要注意安全。例如，不要让液氮溅到人的身体上，也不要把液氮倒在有机玻璃盖板、测量仪器或引线上；液氮气化时体积将急剧膨胀，切勿将容器出气口封死；氮气是窒息性气体，应保持实验室有良好的通风。
在实验开始之前，先将实验用不锈钢杜瓦容器清理干净，然后将输液管道的一端插入贮存液氮的杜瓦容器中并拧紧固定螺母，将输液管道的另一端插入实验用不锈钢杜瓦容器中，关闭贮存杜瓦容器上的通大气的阀门使其中的氮气压强逐渐升高，液氮就会通过输液管道注入实验用不锈钢杜瓦容器。
另外一种灌注液氮的方法是，先将贮存杜瓦容器中的液氮注入便携式广口玻璃杜瓦瓶中，然后将广口玻璃杜瓦瓶中的液氮缓慢地倒入实验用不锈钢杜瓦容器中，使液氮平静下来时的液面位置在距离容器底部约30 cm 的地方。
( 二 ) 电路的连接
将“装置连接电缆”两端的19芯插头分别插在低温恒温器拉杆顶端及“BW2型高温超导材料特性测试装置”(以下称“电源盒”)的插座上，同时接好“电源盒”面板上虚线所示的待连接导线，并将PZ158 型直流数字电压表与“电源盒”面板上的“外接PZ158”相连接．在学生做实验时，19芯插头插座不宜经常拆卸，以免造成松动和接触不良，甚至损坏。
( 三 ) 室温检测
打开PZ158型直流数字电压表的电源开关(将其电压量程置于200 mV档)以及“电源盒”的总电源开关，并依次打开铂电阻、硅二极管和超导样品等三个分电源开关，调节两支温度计的工作电流，测量并记录超导样品及两支温度计室温的电流和电压数据。
原则上，为了减小电流自热效应对超导转变温度的影响，通过超导样品的电流应该越小越好；然而，在教学
实验中，为了保证用PZ158型直流数字电压表能够较明显地观测到样品的超导转变过程，通过超导样品的电流又不能太小。一般而言，可按照超导样品上的室温电压100V
左右来选定所通过的电流的大小。最后，将转换开关先后旋至“温差电偶”和“液面指示”处。
( 四 ) 低温恒温器降温速率的控制及低温温度计的比对
( 1 ) 低温恒温器降温速率的控制
为了确保整个实验工作可在3 小时 以内顺利完成，我们在低温恒温器的紫铜 圆筒底部与下档板间距离的1/2处安装了
图8 紫铜恒温块温度随时间的变化 可调式定点液面计．在实验过程中只要随时调节低温恒温器的位置以保证液面计指示电压刚好为零，即可保证液氮表面刚好在液面计位置附近，
这种情况下紫铜恒温块温度随时间的变化大致如图8所示。
具体步骤如下：
1 ) 确认是否已将转换开关旋至“液面指示”处
2 ) 在低温恒温器放进杜瓦容器的过程中，一定要避免低温恒温器的紫铜圆筒底部触及液氮表面而使紫铜恒温块温度骤然降低，造成实验失败。具体而言，可以选择以下两种方法中的任意一种：
① 先旋松拉杆固定螺母，调节拉杆位置使得低温恒温器靠近有机玻璃板，然后在低温恒温器逐渐插入不锈钢杜瓦容器并接近液氮面的过程中，仔细观察液面计指示值的变化，判断低温恒温器的下档板是否碰到了液氮面。
② 先用米尺测量液氮面距杜瓦容器口的深度，旋松拉杆固定螺母并调节拉杆位置，使低温恒温器下档板至有机玻璃板的距离等于该深度，然后旋紧固定螺母并将低温恒温器缓缓放入杜瓦容器。
3）待液面平静下来后，可稍许旋松拉杆固定螺母，控制拉杆缓缓下降，并密切监视与液面指示计相连接的PZ158型直流数字电压表的示值(以下简称“液面计示值”)，使之逐渐减小到“零”，立即拧紧固定螺母．在低温恒温器的整个降温过程中，我们要不断地控制拉杆下降来恢复液面计示值为零，维持低温恒温器下档板的浸入深度不变。
( 2 ) 低温温度计的比对
当紫铜恒温块的温度开始降低时，观察和测量各种温度计及超导样品电阻随温度的变化，大约每隔5分钟测量一次各温度计的测温参量(如：铂电阻温度计的电阻、硅二极管温度计的正向电压、温差电偶的电动势)，即进行温度计的比对。
具体而言，由于铂电阻温度计已经标定，性能稳定，且有较好的线性电阻温度关系，因此可以利用所给出的本装置铂电阻温度计的电阻温度关系简化公式，由相应温度下铂电阻温度计的电阻值确定紫铜恒温块的温度，再以此温度为横坐标，分别以所测得的硅二极管的正向电压值和温差电偶的温差电动势值为纵坐标，画出它们随温度变化的曲线。
( 五 ) 超导转变曲线的测量
当紫铜恒温块的温度降低到130K 附近时，开始测量超导体的电阻以及这时铂电阻温度计所给出的温度，测量点的选取应视电阻变化的快慢而定，例如在超导转变发生之前的正常态电阻区可以每5分钟测量一次，在发生超导转变的初始阶段可大约1-2 分钟测量一次，而在陡降区可10 秒钟测量一次(如果降温过快可连续测量)．在测量超导转变曲线的同时，仍应坚持每5 分钟一次的温度计比对。
由于电路中的乱真电动势并不随电流方向的反向而改变，因此当样品电阻接近于零时，可利用电流反向后的电压是否改变来判定该超导样品的零电阻温度。具体做法是，先在正向电流下测量并记录超导体的电压，然后按下电流反向开关按钮，重复上述测量和记录；若这两次测量所得到数值和符号都相同，则表明超导样品达
到了零电阻状态③。记录此时的温度，即为该超导样品的零电阻温度。最后，画出超导体电阻随温度变化的曲线，并标明其起始转变温度
oncet
c T ,和零电阻温度
0c T 。
在上述测量过程中，低温恒温器降温速率的控制依然是十分重要的。在发生超导转变之前，即在T >oncet c T
,温区，每测完一点都要把转换开关旋至“液面计”档，用PZ158型直流数字电压表监测液面的变化。在发生超导转变的过程中，即在0c T < T < oncet c T
, 温区，由于在液面变化不大的情况下，超导样品的电阻随着温度的降低而迅速减小，因此不必每次再把转换开关旋至“液面计”档，而是应该密切监测超导样品电阻的变化．当超导样品的电阻接近零值时，如果低温恒温器的降温已经非常缓慢甚至停止，这时可以逐渐下移拉杆，使低温恒温器进一步降温，以促使超导转变的完成。在此过程中，转换开关应放在“温差电偶”档，以监视温度的变化。
注意事项
( 1 ) 认真按照本说明要求进行实验，并一次性取齐数据，避免实验失败。如果实验失败或需要补充不足的数据，则必须将低温恒温器从杜瓦容器中取出并用电吹风机加热，待低温恒温器温度计示值重新恢复到室温数据附近时，再重做本实验。否则，所得数据点将有可能偏离规则曲线较远。
( 2 ) 恒流源不可开路，稳压电源不可短路．PZ158直流数字电压表也不宜长时间处在开路状态，必要时可利用随机提供的校零电压引线将输入端短路。
( 3 ) 为了达到标称的稳定度，PZ158直流数字电压表和电源盒至少应预热10 分钟以上。
( 4 ) 在电源盒开启交流220 V 总电源之前，须作如下检查：各恒流源和直流稳压电源的分电源开关均应处在断开状态，电加热器的电压旋钮应处在指零位置上，所有的电路应连接正确。
( 5 ) 低温下，塑料套管又硬又脆，极易折断。在实验结束取出低温恒温器时，一定要避免温差电偶和液面计的参考端与杜瓦容器出口处或底部相碰。
( 6 ) 在旋松固定螺母并下移拉杆时，一定要握紧拉杆，以免拉杆下滑。
( 7 ) 低温恒温器的引线拉杆是厚度仅0.5 mm 的薄壁德银管，注意一定不要使其受力损坏。 ( 8 ) 切忌磕伤不锈钢金属杜瓦容器底部的真空封嘴以及内筒壁。
思考题
( 1 ) 在低温恒温器逐渐插入不锈钢杜瓦容器并接近液氮面的过程中，液面计指示值的变化有何规律？如何说明？如何判断低温恒温器的下档板或紫铜圆筒底部碰到了液氮面？
( 2 )* 利用你的物理知识，设想可以用哪些方法来测量和控制不锈钢杜瓦容器中的液氮面位置？ ( 3 ) 在“四引线法测量”中，电流引线和电压引线能否互换？为什么？
( 4 ) 确定超导样品的零电阻时，测量电流为何必须反向？该方法所判定的“零电阻”与实验仪器的灵敏度和精度有何关系？
( 5 ) 如果分别在降温和升温过程中测量超导转变曲线，结果将会怎样？为什么？
( 6 )* 零电阻常规导体遵从欧姆定律，它的磁性有什么特点？超导体的磁性又有什么特点？它是否是独立于零电阻性质的超导体的基本特性？ ( 7 )* 利用硅二极管
pn 结正向电压随温度变化的线性关系，可以得到那些物理信息？
(带有*号的问题为选做题．)
参考资料
探究高温超导电缆的研发现状和发展趋势 辛国骥
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。
高温超导材料的发展及应用
高温超导材料的发展及应用 摘要：现代社会高度物质文明和材料科学进步密切有关，本文通过介绍超导及高温超导材料的相关知识阐述目前高温超导材料的发展和应用。 Abstract: the modern social highly material civilization Closely relates to the material's science progress, this paper is about the knowledge of superconducting and HTS materials,and it introduces High temperature superconducting materials 's development and application. 关键词：超导、高温超导材料、材料、技术。 Keywords: superconductivity, high temperature superconducting materials, materials, technology. 正文：日新月异的现代技术的发展需要很多新型材料的支持。自从第三次科技浪潮席卷全球以来，新型材料同信息、能源一起，被称为现代科技的三大支柱。新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。 超导体由于其得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用，因而需要探索新的高温超导材料。所谓高温超导材料是指具有高临界转变温度（Tc）的超导材料，目前高温超导材料主要有：钇系（92 K）、铋系（110K）、铊系（125K）和汞系（135K）以及2001年1月发现的新型超导体二硼化镁（39K）。其中最有实用前途的是铋系、钇系（YBCO）和二硼化镁（ Mg B）。氧化物高温超 2 导材料是以铜氧化物为组分的具有钙钦矿层状结构的复杂物质，在正常态它们都是不良导体。同低温超导体相比，高温超导材料具有明显的各向异性，在垂直和平行于铜氧结构层方向上的物理性质差别很大。高温超导体属于非理想的第II类超导体，且具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，因此是更接近于实用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。 一、高温超导材料 1、高温超导线带材高温超导体在强电方面众多的潜在应用（如：磁体、电缆、限流器、电机等）都需要研究和开发高性能的长线带材（千米量级）。所以，人们先后在YBCO、BSCCO及 Mg B线材带化实 2
超导电力技术的运用
超导电力技术的运用 引言 超导电力技术将是21世纪具有经济战略意义的高新技术1。超导技术的实用化、产业化会对电力领域产生巨大影响。国际超导技术界普遍 认为，新一代高温超导带材(钇系高温超导带材)有望在5年后商品化，之后超导电力技术将会出现一个快速增长的时期，在2010年～2015年期间，各种高温超导电力装置将会陆续进入实用化阶段。据国际超导 工业界预测：2020年，全球超导电力技术产业的产值将达到750亿美元。目前，超导电力技术已进入高速发展时期2，若干超导电力设备，如超导电缆、超导变压器、超导限流器、超导储能装置等已在电力系 统试运行。采用超导电力技术，可以大大提升电力工业的发展水平、 促进电力工业的重大变革。广东电网是全国最大的省级电网，随着电 网的高速发展，系统短路电流水平稳步增大，威胁着电网的安全稳定 运行。变电站站址和线路走廊落实困难，电网建设滞后，已影响到电 力供应的安全性和可靠性。本文从超导电力设备的特点和优势出发， 初步探讨了超导电力装置在广东电网应用的可行性。 1超导电力技术简介 高温超导电缆采用无阻和高电流密度的高温超导材料作为载流导体， 具有载流能力大、损耗低和体积小的优点，其传输容量将比常规电缆 高3～5倍，而电缆本体的热损耗几乎为零。2005年4月，北京云电英纳电缆公司研发出75m、35kV/2kA三相交流高温超导电缆，安装在云 南普吉变电站试验运行。超导故障限流器的基本原理是将超导装置接 入电网，系统正常运行，电流在临界电流以下时，超导体电阻几乎为0，对系统运行无影响。发生故障时，短路电流急剧上升超过临界电流， 超导体失超，电阻迅速增加，从而限制短路电流。故障切除后一段时间，超导体又从正常态恢复到超导态。2000年ABB瑞士研究中心研制 出单相6.4MVA该型故障限流器。2009年，云南电力研究院、昆明供电局、云电英纳超导电缆有限公司等单位在云南普吉变对35kV超导限流
高温超导体及其研究近况
高温超导体及其研究近况 姓名:高卓班级:材料化学09-1 学号:200901130805 所谓超导,是指在一定温度、压力下,一些金属合金和化合物的电阻突然为零的性质.利用此次性质做成的材料称为超导材料. 超导材料按其化学组成可分为：元素超导体，合金超导体，化合物超导体。近年来，由于具有较高临界温度的氧化物超导体的出现，有人把临界温度Tc达到液氮温度（77K）以上的超导材料称为高温超导体，上述元素超导体，合金超导体，化合物超导体均属低温超导体。以下就高温超导体作一个简要介绍。 一材料特点 自1964年发现第一个超导体氧化物SrTiO3以来，至今已发现数十种氧化物超导体。这些氧化物超导体具有如下共同的特征：（1）超导温度相对而言比较高，但载流子浓度低；（2）临界温度Tc随组分成单调变化，且在某一组分时会过渡到绝缘态；（3）在Tc以上温度区，往往呈现类似半导体的电阻-温度关系；（４）Tc和其他超导参量对无需程度敏感。 高温超导体在结构和物性方面具有以下特征；(1)晶体结构具有很强的地维特点，三个晶格常数往往相差3-4倍；（2）输运系数（电导率、热导率等）具有明显的各向异性；（3）磁场穿透深度远大于相干长度，是第二类超导体；（4）载流子浓度低，且多为空穴型导电；（5）同位素效应不显著；（6）迈斯纳效应不完全；（7）隧道实验表明能隙存在，且为库柏型配对。氧化物超导体的这些特征，引起人们的兴趣和关注。 二发展趋势 目前,在高温超导研究领域中,各国科学家正着重进行三个方面的探索,一是继续提高Tc,争取获得室温超导体;二是寻找适合高温超导的微观机理;三是加紧进行高温超导材料与器件的研制,进一步提高材料的Jc和Tc,改善各种性能，降低成本，以适用实用化的要求。 三国内外发展现状 超导材料技术是21世纪具有战略意义的高新技术，极具发展潜力和市场前景。世界各主要国家政府纷纷制订相关计划和加大研发投资，推动基础研究和产业化发展，竞争十分激烈。 一、美国 美国能源部（DOE）早在1988年就创建了超导计划，该计划将高科技公司、国家实验室和大学结合起来，进行具有高度复杂性的高温超导技术的应用研发工作，并在此基础上于1993年底制定了超导伙伴计划（Superconductivity Partnership Initiative，SPI）。SPI是整个超导计划的一部分，目的是加速高温超导（High temperature superconductors，HTS）电力设备走进市场。DOE 在2001年9月24日宣布了新一轮的高温超导计划——SPI二期，投入总资金达1.17亿美元，支持高温超导商业化示范电缆、100MVA高温超导发电机、1000英尺、3相长距离高温超导输电电缆、高温超导变压器、高温超导核磁共振成像装置、超导飞轮储能装置、高温超导磁分离器等7个项目的研发。 2003年7月，DOE在公布的《‘Grid 2030’A National Vision for Electricity’s Second 100 Years》报告中，把高温超导技术列为美国电力网络未来30年中发展的关键技术之一。该计划制订了2010年、2020年和2030年美国在电力方
超导电缆的发展(所有资料网上找到的,侵权删)
超导电缆的发展情况 什么是超导电缆 超导电缆是利用超导在其临界温度下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载大电流的特点而设计制造的。其传输容量远远超过充油电缆，亦大于低温电缆，可达10000MVA以上，是正在大力研究发展中的一种新型电缆。由于超导体的临界温度一般在20K以下，故超导电缆一般在4.2K的液氦中运行。超导电缆的结构有刚性和可挠性两种形式，缆芯分单芯和三芯。设计时须充分考虑其组成材料的膨胀系数，以免电缆因热胀冷缩产生过大内应力而受损。超导电缆是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径，由于它的潜在优势如此诱人，所以各国科技工作者为此正在进行大量的研制工作。 发展过程中遇到的问题 超导体发展过程中，材料是生产一切物资的根本, 新材料则是其他产业振兴与发展的前提。因此, 解决能源问题势必要大力发展新材料事业。在众多的新材料中, 高温超导材料是不可小觑的一种力量。它以节能、环保、可替代多种材料而一枝独秀。可喜的是, 中国是继美国、丹麦之后, 世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。目前, 我国电力、通信、国防、医疗等方面的发展关键技术问题众多, 急需利用超导技术解决。同时我国工业发展对电能需求量日益增长。而电力资源和负荷分布不均, 因此长距离、低损耗的输电技术十分迫切。据韩教授统计, 假如能建立起一个全国性的电力网,由于无电阻,电力网中就无损耗,那么将节省10%左右因输送而造成的电力损耗。另外, 电力工业发展的需求越来越大, 市场发展对供电质量和可靠性的要求越来越高, 常规电力技术已越来越不能满足需要, 因此发展超导材料势在必行。 超导材料有着广阔的应用前景, 但要用超导材料来改进现有的科技工程又决非易事。科学家和工程师们所遇到的困难是如何使超导材料实用化, 即提高临界转变温度、临界电流密度和改良其加工性能, 制造出理想的超导材料。目前面临的主要问题如下: 1提高临界电流密度，目前, 高温超导材料的最突出的问题是在外加磁场下, 临界电流密度偏低。超导薄膜,一般是在弱磁场中工作, J c 值(~l06A /era )基本可满足电子器件的要求。但体材和线(带) 材的J c 值还远未达到实用化所要求的水平, 特别是在有外加磁场时, J c 急剧下降。科学家对影响J c 的原因和解决办法进行了大量研究。许多科学家都认为,影响J c 的主要原因是:(1)晶界间的弱连结; (2) 晶粒中的磁力线运动 . 2弱连结，造成弱连结的原因及弱连结的性质尚不十分清楚。一般认为是由于生成的晶体结构不佳、在晶界处存在位错、晶界处化学成份的改变及结晶的细微裂纹等原因使通道上的电流受阻。解决的方法
高温超导材料的特性与表征
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：
超导输电技术的应用及问题
研究生课程考核试卷 科目：新型输电技术教师： 题目：超导输电的应用及问题 姓名：学号： 专业：电力系统类别：学术型上课时间：2015年5月~2015年7月 考生成绩： 卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师(签名) 重庆大学研究生院制
超导输电的应用及问题 摘要：我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离输送不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局。因此大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。超导输电技术由于其输送容量密度大、损耗极小，是实现大规模电力远距离输送的潜在解决方案之一。本文就超导输电技术发展现状，首先讲解了超导输电的原理，进一步，对国内外超导输电的应用发展情况做出详细介绍，并分析了超导输电技术的优点和大规模应用的实现问题。 关键词：超导输电高温超导超导电缆低温绝缘 1.引言 我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离传输不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局，大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。但传统的电缆受铜、铝等基本导电材料的电导率限制，损耗不可避免。尤其在长距离输变电过程中，由于线缆造成的损耗约占总线路损耗的70%左右。同时，随着电能消费密度的不断增长，送电通道越来越紧张，常规技术以不能满足负荷中心高密度大容量送电的要求。在日本东京、大阪等大城市中，中心电力消费密度已达到80~100MW/km2，大容量高密度送电问题十分突出[1]。 为减少电能输变过程中的损失，也必须采用新型输电方式来实现资源节约型电能输送。超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术。运用超导输电电缆作为电能传输媒介。由于超导材料的载流能力可以达到100~1000A/mm2，大约是普通铜或者铝的载流能力的50~500倍，且其传输损耗几乎为零（直流下损耗为零，工频交流下有少量交流损耗[2]。正是由于超导输电有诸多优点，且能够有效解决损耗和大容量大电流传输的问题，所以近年来超导输电技术受到各国的重视，先后有多个国家开展了超导输电技术的研究。 本文就超导输电的发展现状，重点介绍国内外超导输电的应用，并分析超导输电技术存在的问题。 2.超导输电技术的发展和应用 近几年来，关于超导技术的成果接连不断，让人们看到了超导技术的巨大作用和广阔的应用前景。至此，许多国家把超导技术当作21世纪具有经济战略意义的高新技术来重点发展，而重中之重就是加快超导电力技术的应用，以促进电力能源工业的重大变革。 2.1.超导原理及超导电缆结构 很低的温度下，物体会形成一个核外层电子公用的状态，这就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。处于超导状态的物体电阻非常小，而电缆在传输电能过程中主要的损耗就是电阻造
高温超导材料临界转变温度
实验 预习说明 1．附录不必看，因为示波器改用Kenwood CB4125A 型，它的使用指南见实验室说明资料。 2．测量B-H 曲线，用示波器直接测出R 1上的电压值u 1（3.11.1）式和电容上电压值u C （）式。 3．由于R 1、R 2和C 值不确定，仍需要用教材方法标定B 0、H 0，但是（3.11.7）、（）式中L x 、L y 分别用标 定时的电压u x 、u y 代替。u x 、u y 为电压的峰峰值。 选做实验 高温超导材料临界转变温度的测定 一．引言 1911年荷兰物理学家卡默林翁纳斯(Kamerling Onnes)首次发现了超导电性。这以后，科学家们在超导物理及材料探索两方面进行了大量的工作。二十世纪五十年代BCS 超导微观理论的提出，解决了超导微观机理的问题。二十世纪六十年代初，强磁场超导材料的研制成功和约瑟夫森效应的发现，使超导电技术在强场、超导电子学以及某些物理量的精密测量等实际应用中得到迅速发展。1986年瑞士物理学家缪勒(Karl Alex Muller)等人首先发现La-Ba-Cu-O 系氧化物材料中存在的高温超导电性，世界各界科学家在几个月的时间内相继取得重大突破，研制出临界温度高于90K 的 Y-Ba-Cu-O （也称YBCO ）系氧化物超导体。1988年初又研制出不含稀土元素的Bi 系和Tl 系氧化物超导体，后者的超导完全转变温度达125K 。超导研究领域的一系列最新进展，特别是大面积高温超导薄膜和临界电流密度高于105A/cm 2 Bi 系超导带材的成功制备，为超导技术在各方面的应用开辟了十分广阔的前景。测量超导体的基本性能是超导研究工作的重要环节，临界转变温度T C 的高低则是超导材料性能良好与否的重要判据，因此T C 的测量是超导研究工作者的必备手段。 二．实验目的 1．通过对氧化物超导材料的临界温度T C 两种方法的测定，加深理解超导体的两个基本特性； 2．了解低温技术在实验中的应用； 3．了解几种低温温度计的性能及Si 二极管温度计的校正方法； 4．了解一种确定液氮液面位置的方法。 三．实验原理 1．超导现象及临界参数 1）零电阻现象 我们知道，金属的电阻是由晶格上原子的热振动（声子）以及杂质原子对电子的散射造成的。在低温时，一般金属（非超导材料）总具有一定的电阻，如图1所示，其电阻率 与温度T 的关系可表示为： 50AT +=ρρ （1） 式中0是T ＝0K 时的电阻率，称剩余电阻率，它与金属的纯度和晶格的完整性有关，对于实际的金属，其内部总是存在杂质和缺陷，因此，即使使温度趋于绝对零度时，也总存在 0。 1911年，翁纳斯在极低温下研究降温过程中汞电阻的变化时，出乎意料地发现，温度在附近，汞的 电阻急剧下降好几千倍（后来有人估计此电阻率的下限为1023cm ，而迄今正常金属的最低电阻率 仅为1013cm ，即在这个转变温度以下，电阻为零（现有电子仪表无法量测到如此低的电阻），这就是零电阻现象，如图2所示。需要注意的是只有在直流情况下才有零电阻现象，而在交流情况下电阻不为零。 目前已知包括金属元素、合金和化合物约五千余种材料在一定温度下转变为具有超导电性。这种材料称为超导材料。发生超导转变的温度称为临界温度，以T C 表示。 图1 一般金属的电阻率温度关系 图2 汞的零电阻现象 T 0 105 电 阻 ︵ ︶ T (K)
什么叫做高温超导电缆
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
高温超导材料1.29
高温超导材料 高温超导材料，是具有高临界转变温度（Tc）能在液氮温度条件下工作的超导材料。因主要是氧化物材料，故又称高温氧化物超导材料。 1.结构 高温超导材料不但超导转变温度高，而且成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质。氧化物中的金属元素（如铜）可能存在多种化合价，化合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分被其他金属元素所取代，但仍不失其超导电性。除此之外，高温超导材料具有明显的层状二维结构，超导性能具有很强的各向异性。 已发现的高温超导材料按成分分为含铜的和不含铜的。含铜超导材料有镧钡铜氧体系（Tc=35～40K）、钇钡铜氧体系（按钇含量不同，T发生复化。最低为20K ，高可超过90K）、铋锶钙铜氧体系（Tc=10～110K）、铊钡钙铜氧体系(Tc=125K）、铅锶钇铜氧体系（Tc约70K）。不含铜超导体主要是钡钾铋氧体系（Tc约30K）。已制备出的高温超导材料有单晶、多晶块材，金属复合材料和薄膜。高温超导材料的上临界磁场高，具有在液氦以上温区实现强电应用的潜力 2.特性 超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。
1986年，高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象，以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月，美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体，将超导温度提高到30K；紧接着，日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；12月30日，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40．2K。 2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体.2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体.3月3日,日本宣布发现123K超导体.3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验.3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象.很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象.高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用.氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1／100.液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一. 高温超导体通常是指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。人们在超导体被发现的时候（1911年），就被其奇特的性质（即零电阻，反磁性，和量子隧道效应）所吸引。但在此后长达七十五年的时间内所有已发现的
高温超导体发展趋势
超导材料具有的高载流能力和低能耗特性，使其可广泛用于能源、 交通、医疗、重大科技工程和现代国防等领域。超导技术是具有巨大 发展潜力的高技术。以铌钛和铌三锡为主的实用低温超导体的研究和 开发起始于20世纪60年代，到70年代开始广泛用于磁体技术。目前已在两方面形成了较大规模的应用。一是重大科技工程方面，主要是高 能物理研究所需的大型粒子加速器，如正在欧洲建造的周长为27km的 大型质子碰撞机LHC，以及热核聚变反应装置，如ITER和LHD等；二是在医疗诊断方面正在广泛应用的核磁共振成像系统MRI和具有较高科学 与应用价值的核磁共振谱仪NMR。 高温超导体自1986年被发现以来，在材料的各个方面，尤其是成 材技术和超导性能方面取得了很大的进展。与此同时，各种应用开发 研究也已广泛展开，并且取得了可喜的成果。HTS材料具有较高的临界 温度（Tc）和上临界磁场（Hc2），从而使超导技术的应用在材料方面 有了更广泛的选择。首先高温超导材料可以使超导技术在液氮温区实 现应用，高Hc2值使高温超导材料成为制造高场磁体（＞20T）的理想 选择。近年来，千米长线（带）材的成功制造，已使高温超导材料在 电力能源方面的应用成为现实。这些应用包括：磁体、输电电缆、电 动机、发电机、变压器、故障电流限制器等。用高温超导材料制成的 不同量级（1～20kA）的电流引线已于90年代初实现商品化，并广泛应 用于各种超导磁体系统，使得低温超导磁体可由G－M致冷机冷却，无 需液氦，实现了超导磁体可长时间稳定运行的目标。从目前的发展现 状和趋势，可以清楚地预见，在今后20年内，高温超导技术将在广泛 的领域走向实用化和商品化。 目前已发现的高温超导材料都属于氧化物陶瓷材料，不易加工成 材。同时，很强的各异性和极短的相干长度使得高临界电流密度（ Jc）只能在使晶体高度取向的情况下才能实现。在众多的高温超导材 料中，铋锶钙铜氧体系和钇钡铜氧体系最具有实用价值，所以线（带） 材的研究开发主要集中在这两类超导体。超导体的实际应用除了需要 高Jc之外，还需要材料有相当的长度（＞1km）和良好的机械性能及热 稳定性。所以同金属材料复合是必由之路。银（银）及其合金由于其 良好的稳定性和塑性，成为合适的高温超导线材基体材料。经过十余 年的研究和开发，高温超导线（带）材已取得重大进展。 铋－2223线（带）材铋－2223超导体具有较高的超导转变温度（Tc～110K）和上临界磁场（Hc2，0～100T）。特别是其层状的晶体 结构导致的片状晶体很容易在应力的作用下沿铜－氧面方向滑移。所 以，利用把铋－2223先驱粉装入银管加工的方法（PIT法），经过拉拔 和轧制加工，就能得到很好的织构。另外，在铋－2223相成相热处理 时，伴随产生的微量液相能够很好地弥合冷加工过程中产生的微裂纹， 从而在很大程度上克服了弱连接的影响。正由于这两个基本特性，使 人们通过控制先驱粉末、加工工艺及热处理技术，成功地制备出了高 Jc（＞104A／cm2，77K）长带。 目前世界上已有多家公司在开发和生产铋－2223带材。处于前列
高温超导实验报告
高温超导材料的特性与表征 姓名：孙淦学号：201411142030指导教师：张金星 实验日期：2016年11月24日 摘要 本实验通过借助已定标的铂电阻温度计测量并标定硅二极管正向电阻、温差热电偶电动势及超导样品的温度计。比较几种不同的温度计得到各自的电阻温度变化关系，同时由超导转变 曲线发现超导样品温度计在高温超导区域更明显的变化，并得到了高温超导转变温度的相关参 数。演示了高温超导磁悬浮实验，并完成了零场冷和场冷条件下高温超导体的压力位移曲线测 定。 关键词：高温超导、铂电阻温度计、磁悬浮、场冷、零场冷。 1引言 1911年，昂纳斯首次发现在4.2K水银的电阻突然消失的超导现象。1933年，迈斯纳发现超导体内部磁场为零的迈斯纳效应。完全导电性和完全抗磁性是超导体的两个基本特性。1957年，巴丁、库柏和施里弗根据电子配对作用共同提出了超导电性的微观理论——BCS理论。1986年，柏诺兹和缪勒发现Ba-La-Cu-O化合物具有高T c的超导特性，之后高T c超导体的研究出现了突破性进展。 超导体应用十分广泛，例如超导磁悬浮列车、超导重力仪、超导计算机、超导微波器件等，还可以用于计量标准。 本实验中通过对高温超导材料特性的测量和表征，探究金属和半导体的电阻随温度的变化以及温差电效应，了解磁悬浮的原理，掌握低温实验的基本方法。 2实验原理 2.1超导现象、临界参数及实用超导体 2.1.1零电阻现象 零电阻：温度降低，电阻变为0，称为超导电现象或零电阻现象。只发生在直流情况下，不会发生在交流情况。 超导临界温度：当电流、磁场以及其他外部条件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。 起始转变温度T c,onset：降温过程中电阻温度曲线开始转变的温度。 超导转变的中点温度T cm：待测样品电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度。 完全转变温度（零电阻温度）T c0：电阻刚刚完全降到零时的温度。 1
(完整word版)高温超导材料的研究进展
高温超导材料的研究进展 程长飞20091410404 引言 2O世纪8O年代后期高温超导的发现，在全球掀起了一股“超导热”。经过2O多年的研究发展，我国高温超导技术在超导材料技术、超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破。在众多领域中，超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用。随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速发展，使超导技术的应用步伐迅速加快。超导技术在电力、通信、高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往，具有重要的战略意义。 根据第五届国际超导工业峰会预测，高温超导应用技术将在今后5～10年时间达到实用化水平，并将在2010年前后形成较大规模的产业。到2010年，全球超导产业的产值预计将达到260亿美元，到2020年将达到2 400亿美元以上。超导技术将是21世纪具有光明前景的高新技术 一、超导的基本概述和基本原理 1911年发现，但直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。BCS理论把超导
，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。在BCS理论提出的同时，博戈留波夫（Bogoliubov）也独立的提出了超导电性的 的博戈留波夫变换至今为人常用。 电子间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果仅仅存在库仑 直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动 正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电 变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”。 BCS理论而获得1972 BCS理论并无法成功的解释所谓第二 二、高温超导材料概述 对超导现象，BCS 理论给出了比较满意的解释。而在应用方面，超导现象具有很宽敞的应用空间，具有很高的应用价值。到了现代， 人们一直致力于对超导材料的研究。在1968 此时
超导输电的现状与发展
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。
超导的研究现状及其发展前景要点
题目：超导的研究现状及其发展前景 作者单位：陕西师范大学物理学与信息技术学院物理学一班 作者姓名：杜瑞，程琳，党晓菲，闫甜，王福琼，刘洁，刘园，郭丽丽 学号：40606043，40606042，40606044，40606045，40606046，40606047，40606048，40606049 指导教师：郭芳侠 交论文时间：20007-11-28
超导的研究现状及其发展前景 （陕西师范大学物理学一班第七组 710062） 摘要：本文简单介绍了一些与超导相关的概念，超导材料，超导的简史，超导的研究现状及对超导应用的前景展望。 关键字：超导，超导体，超导现象，超导材料，临界参量，研究现状，前景 Superconductivity research present situation and prospects for development （Shaanxi normal university physics one class Seventh group 710062） Abstract: This article simply introduced some and the superconductivity correlation concept, the superconductivity material, the superconductivity brief history, the superconductivity research present situation and to the superconductivity application prospect forecast.