2021-2022学年高二物理竞赛课件：超导电现象及理论

1、超导电现象及理论零电阻现象完全抗磁性超导体的临界参数BCS理论0.1500.1250.1000.0750.0500.02504.004.104.204.304.40T / KR / 典型超导合金高温超导氧化物NbTi9.5YBa2Cu3O7-90NbZr11Bi2Sr2CaCu2O885PbIn3.47.3Tl2Ba2Ca2Cu3O10125PbBi8.5HgBa2Ca2Cu3O101361933年迈斯纳和奥森菲尔德发现，无论是在磁场中降温使样品进入零电阻态，还是将已经是零电阻态的样品移入磁场中，样品中的磁感应强度均为零，称为迈斯纳效应迈斯纳效应说明超导体是完全抗磁体若建立当温度低于某值时仅仅

2、是电阻为零、电导趋于无穷大的“理想导体” 模型，则可发现，在外磁场作用下将理想导体降温至电阻为零的状态再撤去外磁场，则理想导体中仍保留同样大小的磁通量，这和超导体实验现象不符。完全抗磁性是超导体独立于电阻为零之外的基本特性！超导态正常态BCS理论由巴丁(J. Bardeen)、库珀(L. Cooper)、施莱弗(J. Schrieffer)三人共同建立，三人因此共享1972年诺贝尔物理学奖。不同于以往从实验现象出发作出假定或建立模型的唯象理论，BCS理论从电子 声子相互作用出发，给出了描述超导电性的完整理论，回答了超导电性的来源和起因。BCS理论认为，金属中自旋和动量相反的电子可以借声子为媒介

3、配对，形成所谓“库珀对” 。在很低的温度下，这个库珀对的结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，也就没有电阻，形成所谓“超导”。常规的元素、合金和化合物超导体的临界温度较低，大多需要液氦冷却条件，这就限制了其应用超导材料超导材料(Nb3Al)4Nb3Ge20.05NbN16.1Nb3Sn18V3Ga14.6NbN0.72C0.2817.9Mo0.92Hf0.05C0.7514.2Nb3Al17.5Nb9.2V3Si17.1Pb7.2具有层状钙钛矿型结构氧空位化学计量数变化范围很大，以至于导致晶格畸变晶格结构中存在二维CuO4层面

4、，作为高温超导体的导电平面而至关重要氧含量和分布对性能有重要影响电阻率的温度特性：线性关系霍尔系数的温度特性：随温度上升而单调下降光电导的反常特性超导能隙的各向异性电子 电子关联性临界磁场高，相干长度却很短这些反常特性无法用低温超导理论（BCS理论）来解释，对超导理论的研究提出了新课题和新的研究方向。超导磁体大尺度、强磁场、低消耗超导电缆电能在零电阻输送，完全没有损耗超导储能超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。材料磁化状态的变化会导致电阻值改变，称为磁电阻效应。1856年，W. Thomson首先在铁磁材料中发现各向异性磁电阻(AMR)效应；1979年，IBM利用AMR效应制备薄膜磁头，取代感应式磁头，提高磁盘记录密度数十倍；1988年法国物理学家费尔(A. Fert)和德国物理学家格林贝格(P. Grnberg)分别独立发现巨磁阻(GMR)效应（非常弱的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化），并共同获得2007年诺贝尔物理学奖；1997年，IBM制作出G