超導磁體

科學知識 9547 230 2016-06-01

超導磁體:使用超導導線制作的磁體。通常都用圖1外加電流源供電方式工作,升場、降場都方便、安全。原則上也可以用閉合超導回路采用超導開關方式工作。在低溫下,超導線可以無電阻運行,因此具有非常大的優勢,廣泛用于工業及科研、醫療領域。

基本信息

  • 中文名稱

    超導磁體

  • 定    義

    用超導導線作勵磁線圈的磁體

  • 詞    性

    名詞

  • 優    點

    升場、降場都方便、安全

目錄
1正文
2理想第二類超導體
3參考書目

正文

超導磁體超導磁體

界面能小于零的超導體。根據超導體在磁場中磁化曲線的差異,超導體可分為第一類和第二類兩類。在已發現的超導元素中,只有釩、鈮和鉭屬于第二類,其他元素均屬第一類。然而大多數超導合金和化合物則屬于第二類:它們的區分在于:第一類超導體的京茨堡-朗道參量(見超導電性),超導-正常相的界面能為正;而第二類超導體,,界面能為負。

基于第二類超導體的某些性質(如磁化行為、臨界電流等)對諸如位錯、脫溶相等各種晶體缺陷十分敏感。只有體內組分均勻分布,不存在各種晶體缺陷,其磁化行為才呈現完全可逆,稱為理想第二類超導體。反之,則稱為非理想第二類超導體或硬超導體。非理想第二類超導體具有較大的實用價值。

理想第二類超導體

一細長圓柱狀的理想第二類超導體,處于平行于軸方向的外磁場中時,其磁化曲線如圖1所示(圖中還畫出了第一類超導體的磁化曲線作為比較)。可以看到存在有兩個確定的臨界場,即下臨界場Hc1和上臨界場Hc2。當外磁場低于Hc1時,超導體處于邁斯納態,即磁場被排出超導體外。但從Hc1開始,磁場部分地穿透到超導體內部,而且隨著磁場的增高,穿透程度也增加(-M減少);一直到達到Hc2時磁場才完全穿透超導體(M=0),這時,超導體過渡到正常態。在Hc1<H<Hc2內的狀態,叫做混合態。一般地說,理想第二類超導體在Hc1和Hc2處的轉變均屬于二級相變。Hc1和Hc2的值由下列理論公式確定:

式中Hc為熱力學臨界磁場。它們與溫度的關系都可近似地表示為

第二類超導體的熱力學臨界磁場Hc可由實測到的磁化曲線下面所包圍的面積而得到,其中。

第二類超導體

理想第二類超導體處于混合態時,磁場以量子化的磁通線(也叫磁通渦旋)形式穿透體內。每根磁通線所具有的磁通量正好等于一個磁通量子,式中h為普朗克常數,e為電子電荷。磁通線的結構如圖2所示。磁通線的中心是一個半徑約為相干長度ξ的圓柱形正常區,它外面存在一半徑約為穿透深度λ的磁場和超導電流區域。一般地說,對于的第二類超導體,有λξ。

理論和實驗上都已得出,當處于熱力學平衡態時,理想第二類超導體中的磁通線排列成三角點陣,其點陣常數隨磁場的增高而減小。

第二類超導體與絕緣體或真空接觸,當它處在與界面平行的方向的外磁場中時,則存在于表面附近ξ厚度薄層內的超導電性,一直可以保持到=1.695Hc2為止,這就是表面超導性。

處于混合態(Hgt;Hc1)的理想第二類超導體,在橫向磁場中,不能承載任何大小的超導傳輸電流,因而無多大實用價值。

有關理想第二類超導體的理論是由Β.Л.京茨堡、Л.Д.朗道、Α.Α.阿布里考索夫和Л.∏.戈科夫建立的,通稱為ΓЛΑΓ理論。

非理想第二類超導體非理想第二類超導體的磁化曲線,如圖3所示。由于體內存在晶體缺陷而呈現不可逆的特性。當外磁場從零開始增大但小于Hc1時,超導體處于邁斯納態。當Hgt;Hc1時,磁場以磁通線的形式穿透體內。但缺陷的存在對磁通線的穿透造成阻力,因此超過Hc1時,磁化強度繼續增大。當Hgt;Hp時,則隨磁場的增大而它減小。直至Hc2時,磁化強度才等于零。當磁場從高于Hc2下降時,缺陷同樣阻礙磁通排出,故磁化曲線上出現磁滯現象,以致零磁場時有剩余磁矩,稱為俘獲磁通。

晶陣缺陷的存在,阻礙著磁通線的運動。因此,可以把它們看作是一些對磁通線運動產生釘扎作用的釘扎體,也稱為磁通釘扎中心。釘扎作用的強弱以釘扎力Fp的大小來表示。當溫度高于絕對零度時,由于熱激活的存在,磁通線總是有一定的幾率從一個釘扎中心遷移到另一個釘扎中心,這種磁通線發生跳躍式的無規運動叫做磁通蠕動。

當傳輸電流在與外磁場相垂直的方向上通過處于混合態的超導體時,每根磁通線既受到釘扎力Fp的釘扎作用,又受到電磁力(洛倫茲力)FL=J)×Φo的驅動作用,其中J)為電流密度,Φo為磁通量子。當FLgt;Fp時,磁通線會發生較快地橫過導體的運動,這就是磁通流動。它會在導體縱向感生電壓,相應地“電阻”稱為磁通流動電阻,其電阻率,式中ρn為超導體處于正常態時的電阻率,B為外磁場值。

在平衡狀態下,超導體內各處的釘扎力與洛倫茲力相等,磁通線處于臨界態。這時,超導體的體電流密度就是臨界電流密度Jc。為描述臨界態,已提出了比恩-倫敦(Bean-London)模型和金-安德森(Kim-Anderson)等模型。

非理想第二類超導體處于混合態時,在很高的橫向磁場下,仍可以通過很大的體超導電流,其臨界電流密度Jc有時高達106A/cm2以上。通過Jc-H特性和組織結構的關系,以及磁熱不穩定性等的研究,現今已研制成功Nb-Ti、Nb-Zr合金和Nb3Sn,V3Ga化合物等穩定的實用超導材料(見超導元素及合金和化合物),成為發展強磁場超導磁體技術的基礎。已經應用于固體物理、高能物理、受控聚變反應、磁流體發電等一系列現代科學技術部門而顯示了巨大的優越性。

參考書目

D.Saint-James,G.SarmaandE.T.Thomas,TypeⅡSuperconductivity,Pergamon,Oxford,1969.

吳杭生、管惟炎、李宏成著:《超導電性.第二類超導體和弱連接超導體》,科學出版社,北京,1979。

中國科學院物理研究所《超導電材料》編寫組編:《超導電材料》,科學出版社,北京,1973。