AB效应和超导体的电磁性质

AB效应和超导体的电磁性质摘要：AB效应的提出让人们对电磁场的性质有了进一步地认识。超导体具有零电阻效应、完全抗磁性效应、二级相变效应、单电子隧道效应、约瑟夫森效应等几大特性。本文主要概述了AB效应和超导体的电磁性质，是浅层次的了解。关键词：AB效应、超导、完全抗磁性、麦斯纳效应一、AB效应在经典电动力学中既可以用场量E、B来描述电磁场，又可以用标势和矢势A来描述电磁场，两种方式的描述是等价的。但电场强度E与磁场强度B是描述电磁场的基本物理量，而标势和矢势A是为了数学上的计算方便而引进的辅助量。对于任一电场或磁场，他们的标势和矢势不是唯一确定的，他们是不具有直接观测意义的物理量。但阿哈罗诺夫和玻姆经对标势和矢势A的深刻研究发现两者具有可观测的物理效应，即AB效应。1、磁AB效应磁场强度B与矢势的关系是B=VxA,在量子力学中非直接可观测的矢势A似乎比可直接观测的B更基本，那么如果在空间没有磁场的区域(B=0,A。0),这时的矢势A有没有可观测的物理效应呢？1959年啊哈罗诺夫和玻姆做了以下的实验(图一)： ► ►图1磁AB效应实验示意图电子枪发射出来的电子经过双缝后分为两部分。两部分运动的电子最后在屏幕处发生干涉。当在双缝后面放置一个载有电流的螺线管，通过改变管内的电流便可改变干涉图样，即干涉图样在屏幕上发生移动。对于以上的现象做以下的解释：无限长载流螺线管磁感分布管外为零，管内为均匀磁场B=寸，整个空间磁矢分布情况为管外磁通为中广丸R2岭泣，管内磁通为中.二丸r2^0nI。管内外的磁势环路积分皆为：

[A-dl=jjB-ds2□r—所以 r<R,A(r)=^目0nl,、R2r>R,A(r)=—目0nl经典理论中的磁势：当线圈中电流变化时全空间的磁势有变化：E=-£A，管外电子感受旋dt到涡旋电场的作用可观测。当线圈中电流稳恒时线圈外既无磁感又无涡旋电场(变化磁势)，只有稳恒的磁势。管外电子无法感受到磁场的作用，磁势效应不可观测。2、电AB效应在前面磁AB效应中，矢势A使带电粒子获得了附加的相位因子，同样标势也会使带电粒子波函数获得附加相位因子。如下图所示，发射源发出的电子分为两束分别通过两个细长金属圆筒1和2,两电子束进入金属圆筒后，分别在两圆筒加上电势9*%，则两金属圆筒的电势差为A9=9-9，。当电子束从金属圆筒出来后，将两金属圆筒上的电势撤消。由于细长的金2 1属圆筒可以屏蔽电场，因此内部电场处处为零。这个过程两束电子通过的是没有电场而有电势的空间区域，因此两束电子波产生一个相位差而导致屏幕上的干涉图样发生移动。图2电AB图2电AB效应实验示意图两束电子波产生的相位差分析如下:当不存在电磁场的标势时，体系的哈密顿量为H0L竺

力L竺

力dt=H090有标势存在时H=H0+V(t)=H0+[-绅(t)]相应的薛定谔方程的解为i9=90exp(-—S),其中S=J(t)dt

在D点的波函数为9在D点的波函数为9(D)=9°(D)exp(-'S)+9°(D)exp(-')1 - 1 2 -i一「一方一exp(一―S)90(D)+9°(D)exp(hS一S.、 1-i)兀这里S2-S广项（92-91）dt，于是出现附加的相位因子。通过改变91和92从而改变相位差，使干涉条纹在屏幕上移动。二、超导体及其电磁性质超导体及其发现：一些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度^以下，会出现零电阻的现象，我们某称这些材料为超导体。另外，强磁场能破坏超导状态。每一种超导材料除了有一定的临界温度Tc外，还有一个临界磁场强度&，当外界磁场超过Hc时，即使用低于Tc的温度也不可能获得超导态。1、 完全抗磁性效应（Meissner效应）1933年，德国学者Meissner（迈斯纳）和Ochsenfeld（奥奇森菲尔德）观察到，磁场中的锡样品冷却为超导体时，能排斥磁场进入样品内部，这一现象称为完全抗磁性效应或Meissner效应。即超导体抗磁性与过程无关，无论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内部最终均无磁场。超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的特性。超导体分成两类，第I类超导体和第II类超导体。电阻和迈斯纳效应同时出现的导体，只具有一个临界磁场，称为第I类超导体；有两个临界磁场的超导体，其体内能出现超导相和正常相的界面，我们称它为第II类超导体。2、 约瑟夫森效应（双电子隧道效应）1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验物理研究生，20岁的约瑟夫森（Josephson）提出，应有电子对通过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对对电子成伴地从势垒中贯穿过去。电子对穿过势垒可以在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同，可用实验对它们加以鉴别。零电压下的约瑟夫森效应又称百流约瑟夫森效应。此外还有交流约瑟夫森效应。它们具有共同的特点，都是双电子隧道效应。我们可以把基本粒子按其自旋的大小分为两类：一类自旋为半整数，称为费米子，例如电子、质子、中子，它们的自旋都是1/2,为半整数；另一类自旋为整数，称为玻色子，例如，光子自旋为1，电子对的自旋为零，故它们都是玻色子。电子对成为玻色子后不再遵从泡利不相容原理，即同一能级上容纳的玻色子数不受任何限制。所以在零压下，电子对可以通过势垒。3、 完全抗磁性的应用利用超导体的完全抗磁性，可制成磁封闭系统，超导陀螺、磁轴承、超导重力仪等，图3是一个超导轴承的原理装置图，转轴悬浮在超导轴承-超导线圈中，无摩擦的超导轴承是机械中最理想的构件，它的应用会使许多机械面目为之一新。磁悬浮车是超导技术在交通运输中的重要应用成果，它具有安全、舒适、高速的优点，其它交通工具是无法与之相比的。图4是磁悬浮车的原理模型图，车身底部截面呈凹形，装有超导电磁体，导轨是铝质的，截面呈凸形。列车前进时，车身底部的超导电磁体产生的磁场在铝制导轨内引起感应电流，感应电流的磁场排斥车身的电磁铁磁场，使车身悬浮在导轨上。世界上第一辆磁悬浮列车是在英国的伯明翰制成的，它长6m，一次可载40人时速达500km，而火车的极限时速约为300km。图3超导轴承的原理装置图El「Jrn轨图4磁悬浮车的.原理模型图三、总结AB效应的实验验证指出了经典电磁理论中电磁场与带电粒子的相互作用仅用洛伦兹力公式描述是不够的；而且仅用电场强度和磁场强度是不足以描述电磁场性质的。因此，AB效应的意义是很深远的；超导