讲座超导现象及其实验事实

1、讲座 超导体的电磁性质 超导现象及其实验事实 零电阻现象 完全抗磁性迈斯纳效应临界磁场和临界电流 同位素效应约瑟夫森效应 各种超导材料简介 1超导现象的发现和研究自1911年卡末林.昂尼斯（Kamer lingh Onnes）首次发现超导电现象起直至今日，超导电性问题引起了人们极大的兴趣，一门新兴的物理学科超导物理学由此诞生。90年多来，该领域的研究获得了一次又一次的重大进展，有多项研究成果获诺贝尔物理学奖。超导发展大致经历了以下三个阶段：人类对超导电性的基本探索和认识阶段 1911年1957年 昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研究而获1913年诺贝尔物理学奖 超导微观理论BCS 理论（ 1

2、957年）巴丁（J.Bardeen）库柏(L.N.Cooper)施瑞弗（J.R.Schrieffer）获1972年诺贝尔物理学奖 人类对超导技术应用的准备阶段 1958年1986年 在本世纪60年代达到高峰 ，主要有四大方面发展 实用超导材料的发展；超导电子器件的发展；大量技术应用的实验室初探；千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料 1962年约瑟夫森（Josephson）发现的超导电子对隧道效应约瑟夫森效应使他与江崎玲於内（Leo Esaki）贾埃沃（Ivar.Giaever）分享了1973年的诺贝尔物理学奖 超导电子学（超导量子电子学）兴起 发现了高温铜氧化物超导体，揭开了人类对超导技术的

3、开发的序幕 1985年 已故超导材料权威Matthias曾讲过：“如能在常温下，例如300 K左右实现超导电性，则现代文明的一切技术都将发生变化。” 贝德诺兹（Bednorz）和缪勒（Muller）因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。人们公认“室温超导电材料”和“高温超导理论”是诺贝尔奖级的问题 零电阻现象 低温的实现是研究超导的基础1895年 “永久气体”（空气）被液化，液化点-192C81.15K；1895年 在大气中发现氦气；1898年 杜瓦（ Dewar） 氢气液化，液化点 -253C20.15K1908年，由卡末林.昂尼斯（Kamer lingh Onnes）领导的荷兰莱登实验室完

4、成了氦气液化的实验，液化点-268C4.25K此后，莱登实验室利用减压降温法获得了4.25 K1.15K的低温零电阻现象物质在低温下会出现什么现象？1911年卡末林.昂尼斯发现，在4.2K下，Hg电阻突然消失4.2K下，汞电阻比从1/500下降到10-6，这个下降是突然的 莱登实验室估计，1.5K下，汞电阻比10-9 昂尼斯指出：在4.2K以下，汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际上为零现代超导重力仪的观测表明，超导态即使有电阻也必定小于10-28 ，远远小于正常金属迄今所能达到的最低电阻率 零电阻现象。纵坐标为电阻比，横坐标为温度 各种名词 超导态：显示出超导电性质的物质状态超导体

5、：具有上述超导特性的物体超导转变温度（临界温度）：物质在低温下，其电阻突然转变为零的温度，用TC表示，TC也叫转变温度。温度高于TC，超导体和一般金属一样有电阻，称为正常态实验发现除了汞外有几十种元素、数千种合金和化合物都具有超导性。但在超导体发现以后的漫长时期内，所发现的超导材料的临界温度都比较低，分布在23.2K0.02K之间完全抗磁性迈斯纳效应 1933年由Meissner和Oshsenfeld发现，超导体一旦进入超导态，体内磁通量将全部被排除出体外。磁感应强度恒等于零迈斯纳效应。在超导体发现后的20多年中，人们一直把超导体的磁性归结为超导体的完全导电性的结果，即把超导体看成仅仅是电阻为

6、零的理想导体迈斯纳效应展示了超导体与理想导体完全不同的磁性质，使人们对超导体有了全新的认识迈斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本性质 理想导体和超导体的区别 理想导体 理想导体内不可能存在电场理想导体内也不可能存在随时间变化的磁场 由理想导体的性质可以推想超导体应具有以下特点：B应由初始条件（或实验过程）决定，理想导体中不可能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也不能增加。（对否？）设想比较两个实验 实验一：金属球经历下图过程 理想导体磁通不变，内无磁场实验二：改变次序 内部应有磁场结论：理想导体内部是否存在磁力线以及如何分布与降温及加外磁场的先后顺序有关，即与它们的历史经历有关

7、。12实际的超导体是否就是理想导体呢？ 1933年由Meissner和Oshsenfeld对围绕球形导体（单晶锡）进行了测量只要TTC或BBC，介质处于正常态，磁场会穿透介质TTC或BBC，呈超导态，磁场被完全排出介质 超导体内永远B=0完全抗磁性 迈斯纳效应是独立于零电阻效应的另一种基本性质。迈斯纳效应实际上成为判断真伪超导的依据 超导体的完全抗磁性的第一种解释 把超导体当作磁介质，它具有特殊磁性 完全抗磁性由于内部，M0，超导体表面有磁化电流，磁化电流产生的磁场与外磁场相抵消，内部没有磁场 超导体的完全抗磁性的第二种解释把超导体看成是一种完全没有磁性、根本不存在磁化的物体即认为超导体的 M

8、=0或r=1但是在外磁场的影响下，超导体表面层会出现某种面分布的传导电流屏蔽电流 传导电流的屏蔽作用使超导体内部的合磁场为零，导致完全抗磁性，实验证实屏蔽电流存在。上述两种观点都指出：超导体表面有面电流，完全抗磁性起源于这种面电流，实际上第一种解释是一种有用的形式模型，由于超导体的零电阻效应，不论是磁化电流还是传导电流，均无焦耳热损耗，所以两种观点是完全等价的 磁悬浮实验 现象：在锡盘上放置一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了解释：由于磁铁的磁力线不能穿过超导体在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小

9、，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。临界磁场和临界电流 超导体的零电阻特性，使人自然想到可以实现以下几点 超导回路中的电流持续，即在超导回路中一旦形成，便无需外电源就能持续几年仍观测不到衰减 利用超导体制成的导线传输非常大的电流 利用超导体制成的线圈来产生非常强的磁场 但1914年，昂尼斯发现，当超导体中电流太大或将超导体置于太强的磁场中时，超导性遭到破坏，即导体将从超导态回到正常态 实验表明 每一种处在超导态的导体材料，当其中的电流超过某一临界值或超导体所在处的磁场的磁感应强度超过某一临界值时，超导性都会破坏 超导态 临界值 正常态临界温度 临界电流 临界磁场 三个临界值之间有

10、一定关系 临界磁场与温度的关系 图中，曲线把B-T平面划分为两个区域，正常态和超导态，从超导态到正常态的变化可以通过改变温度来实现，也可通过改变磁场来实现。在曲线上，发生从正常态到超导态的可逆变化。是T=0 K时的临界磁场 同位素效应 1950年科学家在用水银的不同的同位素作实验时发现了同位素效应，即临界温度与同位素的质量相关不总是-1/2 水银 其它超导元素 同位素原子量越小，Tc越高 作用：为探明超导转变的微观机制提供了一条重要的线索。 为什么这么说？同位素效应暗示了什么？ 金属是由晶格粒子(原子实)与共有化的电子组成，在它们之间概括讲有三大类相互作用 晶格电子相互作用；电子电子相互作用，晶格晶格相互作用声子：描述晶格振动的能量子究竟是哪一种相互作用促使金属发生超导转变呢? 从同位素效应可以看出Tc受原子质量的影响原子质量M的不同无疑会使晶格运动性质不同 暗示晶格电子相互作用必定在超导转变中起关键作用 电声子作用是超导电性的根源 原子质量无穷大，晶格粒子不可能运动，它不会振动，便无超导特性这给我们以启示超导特性与原子晶格的振动及形变有关同位素效应明确告诉我们，电声子作用是超导电性的根源 同位素效应是微观理论