超导的原理与应用.doc

超导材料的基本磁性特点1. 超导材料1.1超导材料的发现及简介1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯（Kamerlingh Onnes）的指导下，经过长期的努力，首次将氨液化，获得了4.2K的低温。随后在1911年，他在研究水银的低温电阻随温度的变化时发现水银的电阻R在4.2K附近突然降到了零。如图1-1所示。昂纳斯把这种电阻突然消失的状态称之为超导态。此后，他们又发现其他许多金属也具有超导现象，他们把这种能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材料，也叫做超导体。很多物质都是超导材料。在元素周期表中，常压下具有超导电性的就有26个，如：、等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：、等（见附表1-1）。材料名称Tc（开）材料名称Tc(开)9.518.11118.83.4-7.323.28.516.814.717表1.1-1超导合金和超导化合物的转变温度除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。超导合金以、为代表，超导化合物以、为代表。他们的见表1.1-1。迄今为止，具有超导性的元素、化合物以有数千种。特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使超导体的类属增加了成千上万个，表1.1-2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其。材料名称 (开)9085110材料名称 (开)125136 表1.1-2 高温氧化物超导体的超导转变温度2. 超导材料的基本磁性特点2.1临界磁场 现以一圆柱形（长度比直径大的多，可近似的看为无限长）超导体为例。降低温度到以下，再加一与圆柱体平行的外磁场。实验表明，在低于样品的任一确定温度下，当外加磁场强度小于某一确定数值时，超导体具有零电阻。当大于时，电阻突然出现超导态被破坏而转变为正常态。我们称为超导体的临界磁场。临界磁场是温度的函数，记为。 临界磁场是标志一超导体性质的重要物理量，不同超导体的-曲线都可近似的用下列公式表示 (2.1-1)其中是= 0K时超导体的临界磁场（通常记为H0）。从式（2.1-1）可看出，若已知及两参量，就可求出在其他温度（时，沿着样品的轴线方向加一磁场，这时与探测线圈串联的冲击电流计G有一正向偏转后回到零，的大小与进入样品的磁通量成正比。然后缓慢的冷却样品，当温度下降经过时，由于磁通被从样品排出，冲击电流计有一反向偏转后回到零，说明磁力线被完全排出。此后再撤掉外加磁场，冲击电流计指针也不再动，说明进入超导态后，超导体内磁力线已完全排出，因而不再有磁通变化。这一实验，用磁力线说明的示意图如图2.7所示。 图2.7 超导体内迈斯纳效应表明，不能把超导体和完全导体等同起来。2.3 迈斯纳效应的导出在伦敦理论之前，超导体的电磁理论认为，超导电子运动不受阻尼，电场将使电子加速，设为超导电子速度，有 （2.3-1） 超导电流密度为 （2.3-2） 因此 （） （2.3-3） （2.3-3）式是代替欧姆定律的超导电流方程，它称为伦敦第一方程。再利用麦克斯韦方程 （2.3-4） 对（2.3-3）式两边取旋度，结合（1.2-8）得 （2.3-5） 为了和实验比较，我们利用麦克斯韦方程及（屏蔽电流模写），得 (2.3-6) 又由以及，由（2.3-3）、（2.3-4）及（2.3-6）可得 (2.3-7) 其中 (2.3-8) 对于半无限大平行板特例，（2.3-7）式有如下解： 其中是均匀外磁场磁感应强度随时间的变化率。此解的物理意义是：当深入到样品内部时，以指数形式衰减；即，当深入到样品一个相当的距离后，磁感应强度将趋于一个值，不再随时间变化。劳厄（Von Luae）1曾证明这个性质是方程（2.3-7）的普遍数学公式。 若用伦敦假设 (2.3-9) 代替（2.3-5），而保留（2.3-3），即得超导体电磁性质方程（伦敦方程） (2.3-10) 对恒定电流 ，对麦克斯韦方程 ，两边取旋度，并利用（2.3-9）和，得 （） (2.3-11) 用该方程讨论已经谈到过的无限大平行板特例，易于看出其解为 其中是平行板面处的磁场。函数表明，当时，趋于零。对一般导体而言，的数量级是cm的薄层内有不为零的磁场，这称为穿透层，称为穿透深度。对于大样品来说，可将穿透层略去。于是，在该近似下可以说：超导体内各处的磁感应强度都是零。便又回到了迈斯纳效应。2.4迈斯纳效应的应用求超导体的面电流密度与边界上的磁感应强度的关系。考虑超导体内的电流分布，取（2.3-9）的旋度并利用（2.3-6）式以及，得 (2.4-1) 这方程在形式上和的方程（2.3-11）式相同。因此，超导电流也只存在于超导体表面厚度的薄层内。我们可以用面电流密度来描述它。设超导球占据的上半空间，有 (2.4-2) 磁场边值关系为 (2.4-3) 其中为边界上真空一侧的磁场强度，为超导体一侧在面电流流过的区域以内的磁场强度。由迈斯纳效应，由，得 (2.4-4) 磁场的法向分量边值关系为，表示在边界上与界面相切。由上可知，由于迈斯纳效应，在超导体表面上产生超导电流，它所产生的磁场在超导体内部与外场反向，因而把外场屏蔽，使超导体内部。2.5 描述迈斯纳效应的另一种观点 以上是从超导电流的屏蔽效应的观点来描述迈斯纳效应，在这种观点下，超导体的迈斯纳效应不是来自超导体作为特殊磁性质的性质。另一描写超导体磁性方法的是引入磁化强度的概念（即每单位体积内的磁矩），以表示磁化强度。在这观点下，把在超导体表面上存在的屏蔽电流看作是和分布与整个超导体内的、假想的磁偶极矩相当。这和用磁荷观点描述铁磁体是类似的。所不同的是，处于超导态的金属具有负极化强度，故称为负极矩模写。由电磁学知道，用磁荷观点描述磁性时，磁场强度矢量是基本量，而磁感应强度矢量是作为辅助量，它由下式定义 =+ (2.5-1) 在对超导体的负磁矩模写中也是这样。而根据迈斯纳效应，在超导态金属内部，于是由（2.5-1） = - (2.5-2) 与电磁学公式 = (2.5-3) 相比较（这里为磁化率），即得 = - 1 (2.5-4) 将（2.5-3）代入（2.5-1），得 = ( 1 + ) = (2.5-5) 即磁导率定义为 = 1 + (2.5-6) 由（2.5-4）代入（2.5-6），得超导体处于超导态时有 = 0 (2.5-7)(2.5-4)和（2.5-7）表示，超导体作为完全超导体。该观点从引入了超导体的负磁矩，故称为超导体的负磁矩模写，相对于此，上一种描写超导体迈斯纳效应的观点称为屏蔽电流模写。结束语： 超导体领域是当前科技领域里的一个研究重点，超导体研究的任何突破，都将给我们的生活带来巨大的改变。尤其是超导电性和超导磁性的突破，将大大的改变我们的生活。在超导体的研究与应用方面，我国的科学家做了大量的努力，但整体水平还与国外与一定的差距。所以，我们更应该抓住该领域的基础研究，为培养下一代科研力量做储备。14附表（1-1）周期表中的超导元素参考文献1 M.Von.Laue.Theorie der Supraleitung Berlin-Gottingen-Heidelberg，Springer，Vorlag，2nd ed.(1949)2 H.K. Onnes.Commun.Phys.Lab.Univ.Leiden,No 120,122b(1911)3 W.Meissner and R Ochsenfeld, Naturwiss, 21(1933), 7874 章立源 张金龙 崔广霁，超导物理学，电子工业出版社，19955 冯端等，金属物理学，卷四，超导电性和磁性，科学出版社，20006 蒋平 徐至中，固体物理简明教程，复旦大学出版社，20007 郭硕鸿，电动力学，高等教育出版社，2004致 谢 本论文是在王晨老师的关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和