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考虑非均匀临界电流密度效应的高温超导体磁通跳跃与交流损耗的理论研究

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第一章 绪论

§1.1研究背景

1.1.1高温超导材料概述

1.1.2高温超导材料重要特性

1.1.3高温超导体中临界电流密度的分布特点

§1.2研究现状

1.2.1磁通跳跃研究现状

1.2.2交流损耗研究现状

1.2.3已有研究工作中存在的问题

§1.3本文的主要工作

第二章 高温超导体磁通跳跃和交流损耗的基本理论和计算方法

§2.1高温超导体磁通跳跃的基本理论和计算方法

2.1.1高温超导体磁通跳跃研究现状概述

2.1.2基于Bean模型的磁通跳跃分析

2.1.3考虑磁通蠕动效应的磁通跳跃理论

2.1.4基于超导磁热扩散方程的数值模拟

§2.2高温超导体交流损耗的基本理论和计算方法

2.2.1交流损耗的分类与产生机制

2.2.2交流损耗的测量方法

2.2.3减小交流损耗的方法

2.2.4交流损耗的各向异性特性

2.2.5交流损耗随应力-应变的变化特性

2.2.6交流损耗的基本计算方法

§2.3小结

第三章 高温超导体中磁通跳跃的临界电流密度非均匀分布效应

§3.1临界电流密度非均匀分布模型研究概述

§3.2基于Kim模型的磁通跳跃理论

3.2.1基于Kim模型的超导临界态理论

3.2.2磁通跳跃、磁热不稳定性判据以及磁滞回线的一般描述

§3.3改进的磁通跳跃描述理论

3.3.1同时考虑温度和外加磁场变化速度影响的磁通跳跃描述

3.3.2磁通跳跃与热量分布和温度响应之间的关系

3.3.3改进的Müller与Andrikidis的模型

§3.4小结

第四章 高温超导圆柱体线材中传输交流损耗的临界电流密度非均匀分布效应

§4.1临界电流密度非均匀分布效应与交流损耗关系的研究概述

§4.2临界电流密度阶梯状非均匀分布方式对传输损耗的影响

4.2.1.基本方程

4.2.2.计算结果及讨论

§4.3多种临界电流密度非均匀分布方式对传输损耗的影响

4.3.1模型的建立

4.3.2传输交流损耗的解析表述

4.3.3计算结果及讨论

§4.4小结

第五章 高温超导薄膜中交流损耗的临界电流密度非均匀分布效应

§5.1高温超导薄膜的研究意义和制备方法

§5.2在外加磁场和传输电流时超导薄膜中电流密度和磁场的响应

5.2.1基本理论框架

5.2.2在外加磁场下超导薄膜电流密度和磁场的响应

5.2.3在传输电流时超导薄膜电流密度和磁场的响应

5.2.4计算结果及讨论

§5.3高温超导薄膜交流损耗的临界电流密度非均匀分布效应

5.3.1薄膜传输损耗的临界电流密度非均匀分布效应

5.3.2薄膜磁化损耗的临界电流密度非均匀分布效应

5.3.3计算结果及讨论

§5.4小结

第六章 结束语

参考文献

个人简介、在学期间发表的学术论文

致 谢

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摘要

高温超导体在极低温度环境下的磁通跳跃不稳定性现象和在交变条件作用下的能量损耗直接关系到超导装置和系统的安全性和稳定性,是超导体应用中关注的基础性课题,其研究一直受到高度重视。由于高温超导材料在制备过程中不可避免地存在大量各种类型的点阵缺陷造成超导体内钉扎势以及临界电流密度分布的不均匀性,那么与之相关的磁通跳跃和交流损耗就成为超导装置和系统安全设计和优化的关键科学问题。本文采用局部绝热假定从磁热相互作用的角度考虑临界电流密度非均匀分布效应对磁通跳跃和交流损耗的影响并对高温超导薄膜的磁场和电流密度的分布及其损耗情况进行了深入研究,得到了一些有意义的结果。 首先,针对高温超导体磁通跳跃的临界电流密度非均匀分布效应,从磁热相互作用角度考虑环境初始温度和外加磁场变化速度的影响,通过求解初次磁通跳跃预测方程建立了磁通跳跃临界电流密度非均匀分布效应的理论模型,同时在临界态理论框架内考虑热量分布和温度响应给出了高温超导体磁通跳跃的解析表述。本文建立的理论模型能很好地预测已有的实验数据和数值结果,并且理论计算发现:临界电流密度非均匀分布效应严重影响磁通跳跃现象,对磁通跳跃的产生有抑制作用,并且随着表征不同临界电流密度区域强度差异的参数Y=Jcw/Jcs的增大,抑制作用变得越来越显著。 其次,基于Norris方程考虑自场作用,分析了临界电流密度非均匀分布效应对高温超导圆柱体线材传输交流损耗的影响。理论计算发现:临界电流密度沿着超导圆柱体线材径向由内及外递增的非均匀分布方式能够有效减小传输损耗.当规一化传输电流较大或接近临界电流时,临界电流密度的非均匀分布效应对传输损耗的影响比较显著;当规一化传输电流较小时,其影响一般情况下可以忽略不计。临界电流密度沿横截面径向由内及外以线性和平方的方式对损耗行为的改变与以阶梯状方式有所不同。特别指出,超导圆柱体横截面上边界处的临界电流密度分布对减小传输损耗极其重要。 最后,考虑高温超导薄膜的二维超导电性效应以及磁场和电流密度的分布特征,研究了超导薄膜交流损耗的临界电流密度非均匀分布效应。理论计算发现:超导平板和薄膜样品对外加磁场和传输电流的电磁响应有着本质上的区别。磁场分别以线性和强非线性的形式穿透超导平板和薄膜。在超导平板中无场区电流密度为零而临界区以Jc传输电流,在薄膜中临界区电流密度为Jc而在无场区其连续变化且不为零。薄膜传输损耗的临界电流密度非均匀分布效应定性上与其它几何形状的超导体基本一致,在高场时薄膜磁化损耗的临界电流密度非均匀分布效应逐渐消失。 总之,通过本文对高温超导材料磁通跳跃和交流损耗的临界电流密度非均匀分布效应的研究,为准确测量和正确预测磁通跳跃发生场、交流损耗等性能参数提供很好的理论依据,并且本文研究对高温超导设备和高温超导薄膜器件的准确设计和应用具有重要意义。

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