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问题

液氦4K温度下，超导体临界电流密度多大？

回答
液氦4K温度下，超导体的临界电流密度可不是一个固定不变的数值，它更像是一个“上限”，一个由材料本身特性、外部磁场强度以及工作温度共同决定的动态参数。要深入理解这个问题，咱们得一步步拆解开来聊。

首先，咱们得知道什么是“临界电流密度”。简单来说，它指的是在超导体材料中，如果电流密度超过了这个值，超导性就会消失，材料会从零电阻状态跃迁到有电阻状态。你可以把它想象成一条河流，当水量（电流）超过河床的容量（临界电流密度）时，河水就会溢出（超导性消失，电阻出现）。这个“密度”的概念也很重要，它强调的是单位截面积能够承载的最大电流。所以，即便是同一块超导体，如果它做得越粗，它能承载的总电流也就越大，但其“临界电流密度”这个内在属性是保持不变的。

那么，为什么液氦4K温度下这个值如此重要呢？因为4K（也就是零下269摄氏度左右）是液氦能够达到的温度，而许多早期发现的以及目前仍在广泛应用的超导体，其超导转变温度（Tc）都在4K附近或者略高于4K。这意味着在液氦的冷却下，这些材料才能够进入到零电阻的状态。所以，在这个温度下，我们最关心的是它们在导电时，还能维持超导性的“极限”是多少。

临界电流密度的大小受哪些因素影响呢？

在4K这个相对固定的温度下，影响超导体临界电流密度的主要因素有两个：

1. 超导材料本身的属性（固有临界电流密度）：
材料类型： 这是最根本的决定因素。不同的超导材料，它们的原子结构、电子晶格相互作用、电子成对机制等等都不同，这直接导致了它们内在的超导性质，包括临界磁场（Hc）和临界温度（Tc），进而也影响了临界电流密度（Jc）。
第一类超导体： 这类超导体通常是纯金属，比如汞、铅、锡。它们的临界磁场较低，临界电流密度也相对不高。在4K时，许多纯金属超导体已经过了Tc，或者临界磁场非常低，无法承载较大的电流密度。
第二类超导体： 这类超导体是目前应用的主力，比如铌钛（NbTi）、铌三锡（Nb3Sn）、铜氧化物（cuprates）等。第二类超导体有一个非常重要的特性，就是它们存在一个“混合态”（Mixed State）或“涡旋态”（Vortex State）。当外加磁场介于下临界磁场（Hc1）和上临界磁场（Hc2）之间时，磁场会以磁通涡旋的形式穿透超导体内部。这些涡旋的移动会消耗能量并导致电阻。因此，要维持超导性，就必须有效地“钉扎”（pin）住这些涡旋，不让它们移动。
微观结构： 即使是同一种材料，其微观结构也会对临界电流密度产生巨大影响。
晶粒尺寸和晶界： 晶粒边界通常是涡旋容易移动的地方，所以细小且均匀的晶粒结构，配合能够有效钉扎涡旋的晶界，可以提高临界电流密度。
杂质和缺陷： 合适的杂质或合金化可以引入“钉扎中心”，比如小的第二相粒子或者位错，它们可以阻碍磁通涡旋的移动，从而显著提高临界电流密度。
加工工艺： 材料的制备方法（如拉丝、烧结、薄膜沉积等）和后续处理（如热处理）都会影响其微观结构，进而改变临界电流密度。

2. 外部磁场强度（Hc2 和钉扎）：
临界磁场（Hc2）： 对于第二类超导体，存在一个“上临界磁场”（Hc2）。当外加磁场强度超过Hc2时，即使在Tc以下，超导性也会完全消失。而临界电流密度（Jc）与Hc2是密切相关的。通常来说，在磁场接近零时，Jc最高；随着磁场增强，Jc会逐渐下降，最终在Hc2处降为零。
磁通涡旋的钉扎： 如前所述，在4K温度下，许多超导体即便工作在液氦环境中，也可能处于一个有一定外加磁场的状态（比如用于产生强大磁场的超导线圈）。此时，磁通涡旋的存在是不可避免的。临界电流密度的实际数值，在很大程度上取决于材料中是否存在有效的“钉扎中心”来阻止涡旋的移动。如果钉扎很强，材料就能在相对较高的磁场下维持较高的临界电流密度。

那么，具体的数值有多大呢？

这里就不能给出一个放之四海而皆准的数字了，因为这取决于前面提到的所有因素。但我们可以举一些例子来感受一下这个量级：

纯金属超导体（如铅Pb）： 在4K时，它们的临界磁场非常低，例如铅的Hc大约在0.08特斯（T）。这意味着它们只能承受非常小的电流密度，可能只有几百到几千安培每平方厘米（A/cm²）。这在许多应用中是不足够的。

块状材料的第二类超导体（如铌钛 NbTi）： NbTi是第一代商业化的高温超导体（相对而言），其Tc大约在9.8K左右，在4K时工作，其超导性非常好。
在零磁场下，高质量的NbTi材料，其临界电流密度可以达到 10^5 A/cm² 甚至更高。这意味着一根直径几毫米的NbTi丝材，理论上可以承载数万安培的电流而不会有任何电阻。
然而，随着外加磁场的增加，NbTi的临界电流密度会显著下降。例如，在45特斯（T）的磁场下，其临界电流密度可能下降到 10^4 A/cm² 的量级。在更强的磁场下，如810特斯（T），临界电流密度会进一步降低到 10^3 A/cm² 甚至更低。

铌三锡（Nb3Sn）： Nb3Sn是一种性能更优异的第二类超导体，它的上临界磁场（Hc2）远高于NbTi，并且在较低温度下可以承受更高的磁场。
在4K时，高质量的Nb3Sn材料，即使在1012特斯（T）甚至更高磁场下，其临界电流密度仍然可以保持在 10^4 10^5 A/cm² 的量级。这就是为什么它被用于构建更强大的磁体，比如用于核聚变装置（如ITER）或高场MRI。
在零磁场下，Nb3Sn的临界电流密度可能达到 10^6 A/cm² 的量级，但这通常不是我们在实际应用中关心的主要场景，因为超导磁体设计的初衷就是为了产生强磁场。

高温超导体（如YBCO YBa2Cu3O7x）： 尽管被称为“高温超导体”，但它们在液氦4K温度下仍然表现出优异的超导性能，而且在更高的温度和磁场下也能保持超导。
在4K温度下，对于制备精良的薄膜形式的YBCO，其临界电流密度可以达到 10^6 10^7 A/cm² 甚至更高，尤其是在零磁场下。
即使在相对较高的磁场下（比如77K下），它们也能保持相对较高的临界电流密度，这使得它们在高温超导应用中极具潜力。但在4K下，虽然比许多传统超导体在同等磁场下表现好，其在高磁场下的行为也受制于材料的微观结构和钉扎能力。

总结一下：

在液氦4K温度下，超导体的临界电流密度是一个非常宽泛的范围，从几百 A/cm² 到上千万 A/cm² 都有可能。

对于低磁场应用（如一些精密测量设备）： 即使是性能普通的超导体，在4K时也可以提供非常高的临界电流密度。
对于高磁场应用（如粒子加速器、核聚变、强磁共振）： 我们会选择那些在强磁场下仍然能保持较高临界电流密度的材料，例如Nb3Sn或经过优化的NbTi。此时，材料的微观结构（特别是钉扎中心的分布和密度）就成了决定性的因素。

所以，当提到“液氦4K温度下的超导体临界电流密度”时，其实是在问：在这种基本工作环境下，我们能从哪些超导材料中获得多大的电流承载能力？答案不是一个固定的数字，而是一个需要根据具体材料和应用场景来确定的、由材料科学和物理学共同决定的一个性能指标。理解了这个范围和影响因素，也就理解了为什么科学家和工程师们在选择和开发超导材料时，要如此费尽心思去优化其微观结构和制备工艺。

网友意见

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非常好奇，题主是什么身份？学生吗？还是工程人员

REBCO超导块材而不是线带材，在液氦温区下，临界电流密度。

这个问题就特别像是有人问我：中国的蚂蚁在澳大利亚打字速度能有多快。

真的是让人摸不到头脑。

REBCO块材本身就有好多好多种，RE你应该知道是什么意思吧。

而块材本身就不用于液氦温区，你知道吧。

衡量块材的东西也不太以临界电流密度，而是以捕获磁场，你清楚吧，

如果你都清楚，问这个问题就太强人所难了。

如果你都不清楚，我建议你先看看基础文献。。。

可爱的题主，如果你不懂，就虚心找人问。你的问题not even wrong。我回答你了，你自己不思反省，还折叠我的回答。只能凸显出你不仅对超导块材没有了解，而且很傲慢。

没有人应该回答你的问题，如果你觉得知乎是一个你发问，别人上赶着舔着你回答，你在随便拍拍别人头表示奖励的地方。那你实在把自己想的太高端了。

既然你希望我直接回复你，看看下面的答案吧。。。

我已经回答了你问题了。。。

你自己看不懂，只能说你看不懂。

REBCO块材第一不会几乎不会用于液氦温区，因为很简单，强度不够。

第二，REBCO块材的评价标准从来不是临界电流密度，因为很简单，块材都是melt textured的，电流是不均匀的。

第三，REBCO块材是用捕获磁场来评价的，捕获磁场的计算是非常不准确的。

最后，最最起码的，你问液氦温区的临界电流密度，多少磁场下啊？？？？磁场方向是啥？你既然做计算，用有限元吧，难道你打算用一个均匀的电流值建立模型吗？那直接套公式就行了，你算出来的数有用吗？


题主指出我没有考虑到块材做大电流装置的feedthrough?

以下是回答：因为太长只能在这里更新

亲，如果您想说的是电流引线的话，一般行内叫这个东西current lead。当然也有叫feedthrough current lead的。所以我猜想是这玩意。

敲黑板，请注意了~~

电流引线确实很多时候工作在液氦温区，而且承载电流的能力也是非常重要的评价指标（注意不是电流密度！）

对于电流引线来说，有三个最大的要求。

  1. 长度！由于电流引线很多时候是把巨大的电流引导到一个需要大电流的装置中（通常是超导磁体），所以这玩意通常需要一定的长度，大部分都是几十厘米甚至米级别的。
  2. 电流！因为需要用超导做电流引线的，电流都是很大很大的！注意是电流，不是电流密度！像CERN的LHC里面，一个引线都可能要通入150kA甚至更大的电流。所以大的电流引线一般用电缆，比如下图这个样子，就是LHC的一种电流引线。（图来自于Supercond. Sci. Technol. 27 (2014) 044024）

3. 强度！一般情况下，通如此大的电流，多少下面的设备会有磁场。而电流引线必然有相当一部分工作区域是在磁场下的。根据您高中学过的知识应该知道，磁场和千安级别电流加在一起，洛伦兹力到底有多大。

当然，电流引线还要考虑散热稳定性，还要考虑对系统的漏热等等。

下面，我们看一下REBCO块材是不是适用于电流引线。

  1. REBCO块材一般用Melt texture做法。普遍世界一流水平做出来的块材大小在100mm直径（ab面），40mm高度（c轴）。我所知道的日本钢铁能做160mm直径的，已经是惊为天人了。但是这个大小您觉得能做电流引线吗？另外，REBCO块材的连接需要再次烧结热处理才行，非常复杂，而且效果并不好。上个世纪就没人研究了。所以长度方面，REBCO块材显然不能用于电流引线。
  2. REBCO块材的电流密度比不上涂层导体，更重要的是，衡量电流引线需要的是电流！不是密度。哪怕电流密度低一点，我能做大，做粗也行。REBCO块材不仅电流密度低，而且还不能做大。为啥不用密度又高，又可以绞揽的REBCO带材呢？现在几千A的电缆已经有了啊。所以电流方面REBCO块材也适合做电流引线。
  3. REBCO是陶瓷结构，极其的脆弱，稍微有力就特别容易炸裂。几千A的大电流，在没有外场的情况下都足以让块材瞬间炸开。所以REBCO块材的强度完全不满足电流引线的需求。

综上所述，REBCO块材根本不适合电流引线！

另外，如果您说的feedthrough不是电流引线，您最好说一下是啥。。。。


最后，我很好奇，您是不是查过文献呢？因为如果您用feedthrough和superconductor搜一下SCI文献，您就会发现，只有两篇文献，其实是一个实验。日本人做的，在2005年。在超流氦温度下做的。为啥没人继续做了呢？为啥就一个人研究过呢？您想过吗？因为不适合啊！因为很快电缆就出来了啊！


12月12号更新

只要我回答中稍微说一句楼主应该虚心一点的话，这个回答必被折叠。而且楼主还会闪着星星眼说，系统折叠的呢。

好的，我信了！真的信了！都是系统折叠的！

知乎最开始是一篇讨论科学的净土。后来就是被题主这样的人发现了，作为自己不学习然后来找寻答案的捷径。

在这种情况下， 题主这样的人，还自以为，你不回答我问题就是你不对。只要你说我一句，我就折叠你。你不觉得可笑嘛？

如果我再回答任何超导专业知识，算我输了，好吧。
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问卖家呗……

他会给你个表格，有各种线径，各种铜超比的临界电流。你需要的话可能还有带拉应力、带背景场的数据。啥条件都没有怎么回答……

以及以上一般都是短样数据，长线还得打折。

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