超導臨界磁場

超導體臨界磁場強度

當超導體表面的磁場強度達到某個磁場強度Hc時，超導態即轉變為正常態；若磁場降低到Hc以下時又進入超導態，此Hc即稱為臨界磁場強度。Hc與物質和溫度有關，一般有: Hc(T) = Hc(0) [ 1－(T/Tc)2 ],其中Hc(0)是溫度為0K時的臨界磁場強度 (約為5000A/m)，Tc是超導體的臨界溫度。

基本介紹

• 中文名：超導臨界磁場
• 外文名：superconduction critical magnetic field
• 分類：電工術語

在脈衝強磁場下測量超導體臨界磁場

在脈衝強場下測量NbTi的臨界磁場 H₁( 4.2 K )，結果為l15士4kG。同時觀察了噪音、焦耳熱和“ 臨界電流” 等對測里結果的影響，測量中所用的脈衝磁場之一，可以產生高於400kG的場強，磁體有效孔徑為25mm，脈衝寬度為15.6ms。

測量結果與分析

樣品上所加的恆定電流密度為~50一 1300A/cm ²。先將恆定電流加到樣品上，然後加脈衝磁場的。樣品兩端電壓和脈衝磁場的電流信號 ( 已校成場強 ) 分別輸 人十六線光線示波器，由光線示波器直接記錄，其中近似正弦形的曲線是脈衝場的電流信號，另一條是超導線上的電壓信號，橫座標表示時間。

噪音

在脈衝磁場下的測量，要特別注意避免或儘量減少感應引人的噪音。因為實驗是測橫向臨界場，如果採用直 的超導線橫置於磁體中，那么由於受磁體內徑的限制，使橫置的超導線只能取一個多厘米長，結果在超導線上的 電壓信號很小，因而易受噪音影響使測量誤差大，為了減小測量誤差，實驗中將超導線雙繞成“ 無電感線圈‘’，構想此時測量引線上的感應噪音與前一 種安排相同，則在同樣的測量電流時可得到較大的信噪比。但在實際操作上 ，要做到雙繞樣品完全“ 無感” 是需要相當謹慎的。

A點和B點附近的小波形正反映了這種感應噪音。

所用的樣品 (超導線) 是分別在兩次繞成的。從記錄曲線可見，雖然測量電流小，相應的電壓信號小，但樣品繞制安裝較仔細，信噪比是很大的。記錄曲線，顯示出噪音相當大，它已使 A 一A’與B’ 一B的斜率受影響。

焦耳熱的影響

當側量電流小時，A點與B點對應的磁場強度沒有明顯的差別，而電流密度增加到250一 500A/cm² 時，B點的 磁場比A點要低4一8kG，呈現出熱滯後現象。隨著電流密度進一 步加大到~ 1300A /cm² 時，即使當脈衝磁場減到零，也不再向超導轉變 。

引起這些現象的原因是，在超導線轉變為正常態之後，大的測量電流密度產生相當數量的焦耳熱。使超導線 溫度上升，又由於用來固定超導線的環氧樹脂層熱阻大，及NbTi線在4.2K時熱擴散率低 ( 僅~ 1.18cm²/s，比銅差四個量級左右 ) ，所以超導線在失超後不能始終維持在4.2K，或甚至高於臨界溫度，因而其臨界場變低或退零場時仍不能立即恢復超導。

如果要得到正確的臨界場從H₁(4.2 K )值，必須使超導線與液He之間的熱阻儘量小，同時側量電流密度也要儘可能小。對所測的NbTi 樣品，電流密度以小於250A/cm時為宜。

“ 臨界電流” 的影響

超導體臨界電流J_c與磁場H的關係 ，即當H越大時，臨界電流越小。換句話說，電流越小，臨界場強越高。 當電流小到某一值時，“ 臨界 磁場 ” 大小不再受電流大小的影響，而等於電流密度J=0時的H₁值。將這種電流密度對臨界磁場的影響叫做“ 臨界電流” 的影響。當電流密度≤500A/cm²範圍之內時，A點對應的磁場沒有明顯改變。 但當電流密度增至 ~ 1300A/cm²時，A點對應的磁場減小3一5kG。為此要避免“ 臨界電流” 的影響，測量電流也以取小於500A/cm²為宜。

關於超導材料NbS2上臨界磁場的理論分析

將NbS₂與兩能隙超導體MgB₂以及NbSe₂的上臨界磁場性質進行了比較。NbS₂的上臨界磁場各向異性參數在溫度超過5.0 K後逐漸變小，這與MgB₂以及NbSe₂有相似之處但NbS₂的上臨界磁場各向異性參數大約為7.3左右，明顯大於MgB₂和NbSe₂。計算結果還表明，NbS₂較大能隙所對應能帶的有效質量比約為54，另一能帶的有效質量基本是各向同性的。

超導的套用

超導材料的研究已與納米科技相結合進入一個全新時代，超導材料具有非常廣闊的套用前景。超導材料的運用價值主要在於其零電阻效應以及邁斯納效應。超導套用已經涉及軍事、醫療、交通、電力、電子、通信、能源、機械工程等多個領域，在發電、輸電和儲能領域有著更為廣闊的發展前景。

在電力工程的套用方面，超導材料主要用於超導輸電線路，超導發電機以及超導變壓器。超導輸電在原則上可以做到沒有焦耳熱的損耗，因而可節省大量能源，據統計，主要採用的輸電線為銅或銀導線，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節省的電能相當於新建數十個大型發電廠。超導磁體可用於製作交流超導發電機、磁流體發電機。交流超導發電機可以在幾乎沒有能量損失的情況下，利用超導線圈磁體將發電機的磁場強度提高到5-6萬高斯，超導線圈用於發電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗。隨著電力工業發展，對於供電設備要求也變得越來越高，在電力工程中變壓器是必不可少的設備，如何提高變壓器的性能，獲得更為可靠高效的變壓器也成為人們研究的重點項目。超導變壓器無論是在基本結構或是工作原理方面，都與常規浸油變壓器相同，不同點在於超導變壓器用超導線圈代替常規變壓器的銅線，並將超導線圈浸於液氮中。超導變壓器的實現無論是在經濟方面，節能方面，環保方面，以及效率方面都有了顯著提高。

上臨界磁場的角分布

選擇參數m₁=0.93m_e；m_1z= 59m_e；m_2z=1.1m_e；a₁₀=0.28meV，由臨界溫度的計算公式可以得出R₁₂=0.016meV。

其中橫坐標代表外加磁場與ab平面的夾角，縱坐標表示NbS₂的上臨界磁場，實線表示T=5.5K時NbS₂上臨界磁場隨溫度的變化關係，實心圓點表示T=5.5K上臨界磁場的實驗數據。在T=5.5K時計算結果與實驗數據是吻合的，右上角是T=5.5K時NbS₂上臨界磁場角分布的放大圖形。另外三條虛線從上至下分別表示T=0K，2K，4K，時NbS₂上臨界磁場的理論計算，將其與MgB₂上臨界磁場的角分布進行比較發現有很大的相似之處，NbS₂和MgB₂上臨界磁場都是隨著角度的增大而減小，並且隨著角度的增大上臨界磁場減小的速度越來越慢，通過以上分析進一步證明NbS₂是兩帶超導體。

上臨界磁場各向異性參數的計算

將NbS₂各向異性參數隨溫度的依賴關係（實線）與MgB₂和NbSe₂的數據進行對比。圖中實心圓點，空心圓點和實心三角形分別代表NbS₂，MgB₂和NbSe₂的_Yh實驗數據點。計算結果顯示NbS₂的隨溫度的依賴關係在0.8T_c；附近出現下降。在0.8T_c；到T_c之間，Yh值由73下降到7.0左右，上臨界磁場各向異性參數對比圖這一計算結果與實驗數據在誤差範圍內吻合。實驗數據顯示，MgB₂上臨界磁場的各向異性參數在2.2到4.8之間，NbSe₂上臨界磁場的各向異性參數在2.5到3.5之間。通過對比可以看出，相對於MgB₂和NbSe₂，NbS₂的上臨界磁場的各向異性更大。

己知MgB₂是由一個二維的δ帶，和一個三維的π帶構成，且δ帶的有效質量比約為40，π帶的有效質量比約為2。NbS₂也表現出了類似的性質，NbS₂較大能隙所對應能帶的有效質量比m_1z/m₁為54，另一能帶的這一數NbS₂上臨界磁場各向異性參數隨溫度的依賴關係，以及NbS₂，MgB₂和NbSe₂

值m_2z/m₂約為1.1，基本是各向同性的。通過比較可以看出，相對於MgB₂和NbSe₂而言，NbS₂的有效質量各向異性更大，這是造成NbS₂的Yh明顯大於MgB₂和NbSe₂的重要原因。