超导材料介绍
超导材料概念
超导材料概念超导材料是指在特定条件下，电阻突然降为零的材料。
这种神奇的现象在科学研究和工程应用中具有广泛的应用前景。
超导材料的发现和研究是近代物理学的一个重要成果，也是材料科学和工程学领域的一个热点。
本文将从超导材料的基本概念、发现历程、物理机制、应用前景等方面进行详细介绍和分析。
一、超导材料的基本概念超导材料是指在低温、高压、强磁场等条件下，电阻突然降为零的材料。
这种现象是在1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现的。
他在将汞冷却到近绝对零度时，发现汞的电阻突然降为零。
这种现象被称为超导现象。
在随后的研究中，人们发现不仅是汞，其他金属、合金和化合物也具有超导性。
目前已经发现的超导材料种类很多，包括铜氧化物、铁基超导体、镁二硼等。
超导材料具有独特的物理性质，如零电阻、零磁场、激发态等。
这些性质使得超导材料在电力输送、电子学、磁学、量子计算等领域具有广泛应用前景。
例如，超导电缆可以大大提高电力输送效率，减少能源浪费；超导磁体可以产生极强的磁场，用于医学成像、磁悬浮列车等领域；超导量子比特可以用于量子计算，实现超高速计算等。
二、超导材料的发现历程超导材料的发现历程可以追溯到19世纪末期。
当时，人们已经知道了电阻的存在和电流的磁效应。
在1895年，荷兰物理学家洛伦兹提出了电动力学方程，揭示了电流和磁场之间的关系。
这为超导现象的发现奠定了理论基础。
1908年，英国物理学家奥本海默首次提出了“超导”这个概念，指的是在某些条件下，电阻可能会降为零。
随后，荷兰物理学家卡末林在1911年通过实验证实了这一理论。
他将汞冷却到4.2K 以下，发现汞的电阻突然降为零，而且磁场也会被完全排斥，这就是超导现象。
这个发现引起了广泛的关注和研究。
在随后的几十年里，人们陆续发现了铝、铅、锡等金属和合金也具有超导性。
然而，这些材料只能在极低温度下才能表现出超导性，限制了其实际应用。
直到1986年，美国IBM研究团队发现了第一种高温超导体——氧化铜。
超导材料是什么
超导材料是什么超导材料是指在低温下具有零电阻和迈斯纳效应的一类特殊材料。
超导材料在电流通过时能够完全消除电阻，使电流能够无损耗地流过，这一特性被称为超导性。
这使超导材料在电力输送、能源存储、磁共振成像等领域具有广泛的应用前景。
超导材料最早于1911年由荷兰物理学家海克·卡末林发现。
基于铅的材料是最早被发现具有超导性的材料。
然而，这类超导材料需要在非常低的温度下（接近绝对零度）才能展现出超导特性，限制了其实际应用的范围。
直到1986年，德国物理学家J·G·鲍尔汤和瑞士物理学家K·A·穆勒在氧化铜材料中发现了高温超导现象，即超导转变温度高于液氮沸点77K，使超导材料的实际应用前景大大扩展。
随后，人们陆续发现了多种高温超导材料，如铜氧化物、铁基超导体等。
超导材料主要具有以下特点：1. 零电阻：在超导状态下，电阻消失，电流可无损耗地通过。
这种特性使超导材料在电能输送领域有巨大应用潜力，能够显著减少能源损耗。
2. 迈斯纳效应：超导体中的电流不仅可以无损耗地流过，还能形成与电流方向垂直的磁场。
这一现象被称为迈斯纳效应，可用于磁体制造、磁共振成像等领域。
3. 超导转变温度：超导材料在一定的温度下会由非超导态转变为超导态。
低温超导体的转变温度通常较低，而高温超导体的转变温度可以接近或超过液氮沸点，更易于实际应用。
4. 磁场限制：在外加磁场作用下，超导材料的超导特性会受到限制。
不同材料对磁场的限制程度不同，这也对其应用领域产生了影响。
超导材料的研究和应用存在一些挑战。
其中最主要的是超导材料通常需要在极低的温度下才能展现出超导性，这对设备和工艺提出了要求。
此外，高温超导体的机制和性质仍然不完全清楚，对其进行深入研究仍然是一个重要课题。
然而，随着超导材料的不断研究和发展，人们对超导技术的应用前景充满信心。
超导磁体已广泛应用于核磁共振成像、加速器、磁悬浮交通等领域。
超导输电技术也在快速发展，预计超导材料将在未来成为电力输送和能源存储的重要组成部分。
超导材料
超导材料在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料称为超导材料。
现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
一．超导材料特性1.零电阻性超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。
这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
2.完全抗磁性超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
3.约瑟夫森效应两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。
当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。
这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
4.同位素效应超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。
M越大，Tc 越低，这称为同位素效应。
二．基本临界参量1.临界温度外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。
Tc值因材料不同而异。
2.临界磁场使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。
Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
3.临界电流和临界电流密度通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。
Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。
单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度，以Jc表示。
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。
三．超导材料应用超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。
尤其是高温超导材料的应用用非常广阔，大致可分为三类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。
材料科学中的超级导电性材料
材料科学中的超级导电性材料超级导电性材料是指具有比铜更高导电性能的材料。
这些材料在材料科学中具有极大的价值，因为它们可以被用于高速电子设备、高温超导电性设备和磁场传感器等领域。
本文将详细介绍超级导电性材料的种类和应用。
一、金属材料金属是超级导电性材料的经典代表。
在室温下，铜的电导率为58.4×106 S/m，但银（Ag）和金（Au）等金属的导电率超过了铜，因此它们具有超导电性。
此外，在极低温度下，一些金属例如铝（Al）和铉（Ce）也具有超导电性。
金属材料的超导电性主要应用于高速电子设备。
例如，在微电子学中，金或银纳米线电极的电阻性能显著提高，因此使用金属材料作为导体材料具有出色的效果。
二、有机材料相比于金属材料，有机材料在制备和成本方面更有优势。
在有机材料中，聚苯乙烯（PS）具有显著的超导性能。
此外，通过在有机材料中掺杂化合物或添加其他材料，如碳纳米管（CNT）和石墨烯（Gn），也可以制备出具有超导性的有机材料。
基于有机材料的超导性，可以制备出柔性电路、电子纸和智能穿戴设备等领域的应用，这些领域对于综合性能的要求更高。
三、二维材料二维材料具有独特的电子结构，因此被认为是超级导电性材料的候选材料之一。
石墨烯是最具代表性的二维材料之一。
它在理论上具有无限高的电子迁移率和卓越的超导电性能，因此非常适合用于高速电子设备制备。
除了石墨烯，二硫化钼（MoS2）等其他二维材料也被发现具有超导性能。
这些材料的导电性能甚至比铜高出数倍。
因此，它们在微电子学及石墨烯电荷传输场效应晶体管等领域具有广泛应用。
四、复合材料未来的超级导电材料将基于各种综合性能，因此复合材料是一种有前途的超级导电性材料。
通过在金属或二现类材料中掺杂二硫化钼等二维材料，可以制备出表现出更高导电性能的复合材料。
复合材料的应用范围更为广泛。
例如，在高温超导电性设备中，可以使用复合材料以提高其高温超导性能；在磁测仪和磁场传感器中，复合材料可以制备出大面积高灵敏度传感器。
超导材料基础知识介绍
超导材料基础知识介绍超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。
现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。
主要有以下性能。
①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。
如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。
这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。
③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。
当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。
这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。
基本临界参量有以下 3个基本临界参量。
①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。
Tc值因材料不同而异。
已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。
到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。
②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。
Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。
③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。
Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。
单位截面积所承载的Ic 称为临界电流密度，以Jc表示。
超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。
以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。
超导原材料
超导原材料
1 超导原材料简介
超导原材料是指那些能够在超导状态下传导电流的材料。
超导材料具有很低的电阻和电感，能够在常温下转变为超导状态，具有很高的导电性能。
这种材料在电力传输、医疗、计算机和通信等领域，都会有广泛的应用。
2 超导材料的分类
超导材料可以分为两类：第一类是金属超导材料，如铜、铝、金等；第二类是陶瓷超导材料，如氧化铜、氧化铯、氧化银等。
除此之外，还有一些复合超导材料，如氧化镍等。
3 超导材料的制备
超导材料的制备过程包括制备材料、制备超导体和烧结制备等步骤。
其中烧结制备是制备陶瓷超导材料的基本方法。
该方法通过将高纯度的化合物粉末加热到很高的温度下，形成一种纯净的超导物质。
4 超导材料的应用
超导材料在诸多领域都有应用，以下列举几个：
1. 电力传输领域，超导线圈可以大幅减少能源损耗，在输电距离较长或承载电流较大的情况下更加有效。
2. 医疗领域，超导磁共振成像（MRI）技术的核心部分是超导体。
该技术相比传统的X光摄影技术更为精准。
3. 计算机和通信领域，超导器件和超导电缆可以提供更高效和可
靠的数据传输和存储。
总之，超导材料具有广泛的应用前景。
虽然目前仍存在一些制备
难度和生产成本高的问题，但在不久的将来，随着技术的进步和研究
的不断深入，这种材料必将得到更加广泛的应用。
超导材料
超导材料超导材料超导材料是指在超导态下能够实现零电阻和完全磁通排斥的物质。
这是一种非常特殊的材料，在低温下具有很高的电导率。
超导材料的发现对科学和工业领域都产生了巨大的影响。
本文将介绍超导材料的概念、发现历史、特性和应用等方面的内容。
超导材料的概念最早可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡末林·奥恩斯和海尔曼·科内斯发现了汞在低温下的超导性质。
自那以后，科学家们一直在寻找更多的超导材料，并不断探索和研究超导现象的原理。
超导材料的最大特点是零电阻。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，材料内的电流可以在不损耗能量的情况下持续流动。
这意味着超导材料可以实现高电流密度和高电导率，可以在电力输送、磁共振成像等方面发挥巨大的潜力。
除了零电阻外，超导材料还具有完全磁通排斥的特性。
当磁场穿过超导材料时，超导电子将把磁力线排斥出材料，形成所谓的“迈斯纳效应”。
这种特性使超导材料在磁悬浮、磁阻限制等领域具有广泛的应用。
超导材料的发现和研究对科学产生了巨大的影响。
它不仅突破了传统材料的电阻极限，也为解决能源和环境问题提供了新的思路。
例如，在能源输送方面，超导材料可以大大减少电能损耗，提高输电效率。
在磁共振成像方面，超导磁体可以提供极强的磁场，使成像更加精确并缩短检查时间。
此外，超导材料还在科学研究中发挥着重要作用。
它在粒子物理学、高能物理学和凝聚态物理学等领域有广泛的应用。
例如，在核聚变研究中，超导材料可以用于制造超导磁体，产生强大的磁场来控制等离子体。
超导材料的应用还延伸至工业领域。
在交通运输方面，超导磁悬浮技术可以实现高速列车的悬浮和推进，提供更快、更安全、更节能的交通方式。
在能源领域，超导磁能储存技术可以在低谷电力储能和紧急供电方面发挥重要作用。
虽然超导材料在理论和实验研究中取得了重要进展，但目前仍面临着一些挑战。
首先是超导材料的高温超导问题。
迄今为止，大多数超导材料的超导转变温度都在很低的液氮温度以下，这限制了超导材料应用于实际场景的可能性。
超导材料用途
超导材料用途超导材料是一种在极低温下电阻为零的材料，其独特的性质使其在许多领域得到了广泛应用。
本文将介绍超导材料的基本原理、分类以及在电力、医疗和科学研究领域的应用。
一、超导材料的基本原理和分类超导材料的基本原理是通过降低材料温度，使电子在材料内部减少碰撞，从而减少电阻。
当材料温度降至超导临界温度以下时，电流可以在材料内部无阻碍地流动。
超导材料可以分为经典超导材料和高温超导材料两类。
经典超导材料的临界温度一般在4K以下，常见的经典超导材料有铜、铝、铅、银等。
这些材料的超导性质已经被广泛研究和应用，例如在超导磁体、超导电缆、超导电子学等领域。
高温超导材料的临界温度在77K以上，最高可达到135K。
高温超导材料的发现和研究是一个重大的科学事件，也是超导领域的一个重大突破。
高温超导材料具有更高的临界温度和更好的超导性能，可以在更高的温度下工作，因此在许多领域具有广泛的应用前景。
二、超导材料在电力领域的应用超导材料在电力领域的应用是其中最为广泛的领域之一。
超导电缆、超导变压器和超导磁体是超导材料在电力领域的主要应用。
1. 超导电缆超导电缆是一种利用超导材料的无电阻特性传输电能的电缆。
相比传统电缆，超导电缆可以大幅提高输电效率、降低输电损耗和减少输电线路的占地面积。
超导电缆被广泛应用于城市电网、电力输电和交通运输等领域。
2. 超导变压器超导变压器是一种利用超导材料的无电阻特性实现能量传输的变压器。
超导变压器相比传统变压器，可以大幅减少能量损耗和体积，提高能量传输效率。
超导变压器被广泛应用于电力输电、能源储存和电动汽车等领域。
3. 超导磁体超导磁体是一种利用超导材料的强磁场特性制造的磁体。
超导磁体具有极高的磁场强度和稳定性，可以被广泛应用于核磁共振、医疗诊断、磁浮列车和磁约束聚变等领域。
三、超导材料在医疗领域的应用超导材料在医疗领域的应用主要包括核磁共振成像（MRI）和磁控治疗等方面。
1. 核磁共振成像（MRI）核磁共振成像是一种利用超导磁体产生的强磁场和射频信号产生的影像技术。
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1. 零电阻效应
不同导体的电阻-温度曲线
水银的零电阻效应
在特定的温度下材料的电阻突然消失的现象称为超导（电）现象，发生这
一现象的温度叫超导转变温度Tc，也叫临界温度。材料失去电阻的状态称
为超导态，存在电阻的状态称为正常态。具有超导态的材料称为超导材料。 零电阻效应是超导态的一个基本特征。
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第二类超导体
H Hc2
B 0, r = 0
Mixed
S Hc1 B = 0, r = 0 Meissner
第二类超导体的相图
N
T Tc
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混合态
T<Tc 0<H<Hc1
T<Tc Hc1<H<Hc2
Flux penetrates above the
lower critical field Hc1
弱连接超导体：S-IS
超导隧道结（约瑟夫森结）示意图 两超导体中间的绝缘（真空， 正常）层也能让超导电流通过 的现象叫超导隧道效应。
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物体是否为超导体的实验判据
电阻（率）-温度曲线，磁化率-温度曲线，比热容-温度曲线
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实 例
水银的零电阻效应
MgB2的x-T曲线
锡在正常态(N)和超导态(S)的比热容
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科学家2002年发现以钚为基础的新的超导体族
美国能源部洛斯阿拉莫斯科学实验室、佛罗里达大学和德国铀后元 素研究所，以约翰·尔拉奥博士为首的科学家小组首次发现钚的超 导效应，证实钚、钴和镓的合金在温度为18.5K时会变成超导体。
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合金超导体
• 组成元素都具有超导性
合金 Nb3Sn Tc (K) 18.1
90.2K 77.3K 4.2/1.7K 4.15K
昂内斯(中间白衣者)在他 所创立的低温实验室内
In Sn Pb 3.4K 3.7K 7.2K
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1957年巴丁、库珀和施里弗合作创建了超导微观理论 (BCS)，于1972年获诺贝尔奖。这一理论能对超导电性 作出正确的解释，并极大地促进了超导电性和超导磁体 的研究与应用。
库珀 电子对
库珀电子对通过格波相互作用， 其作用范围为10-6～10-9m；
每个库珀电子对的总动量相当， 这是零电阻产生的根源；
材料变为超导态后，电子结为 库珀对，能量降低2△，称其为 超导体的能隙。
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2
=
6.4Tc
[1
T ( Tc
1
)]2
20
2
正常态
正常态
能 费米能
量
超导态
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金兹伯格
莱格特
阿布里科
2003年诺贝尔物理学奖授予美国阿尔贡国家实验室的阿力克 谢·阿布里科索夫、俄国莫斯科莱伯多夫物理研究所的维塔 利·金兹伯格和美国伊利诺斯大学教授安东尼·莱格特，以奖励 他们在超导和超流理论方面的先驱性贡献。
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吴茂昆
朱经武
钇钡铜氧化合物,1987年2月，92K
赵忠贤
超导材料介绍
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超导材料简介
超导概述 超导电性的基本特征 超导材料的种类 超导材料的应用
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一、超 导 概 述
昂内斯(1853～1926) 荷兰低温物理学家 1908年成功地液化了氦气，1911年发现了某 些金属在液氦温度下电阻突然消失，即“超 导电性”现象，于 1913年获诺贝尔奖。
氧 氮 氮 Hg
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约瑟夫森和贾埃弗的发现，对于研制高性能的半导体和超导体元器件具 有很高的应用价值，并导致超导电子学的建立。
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1986年缪勒和柏德诺兹发现了钡镧铜氧体系高温超导化合物。于1987 年获得若贝尔奖。这一研究成果导致了多种液氮温区高温超导体材料 的出现，并宣告锶镧铜氧(1987年初，48.6K)、钡镧铜氧、钇钡铜氧系材料，
铋系超导体
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二、超导电性的基本特征
Zero Resistance -
Meissner Effect -
Critical Properties
Josephson Effects Tunnelling
No Power Loss Act as Magnet - Tc, Jc, Hc - Electron
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两类超导体
第一类（I型）超导体
H
它们具有完全的迈斯纳效应（完
全的抗磁性）。如果外部磁场过 强，就会破坏超导体的超导性能。 Hc
正常态
这类超导体只有两个态，即低温 超导态和正常态。主要是金属超
超导态
导体。
0
Tc
T
第二类（II型）超导体
主要是合金和陶瓷超导体。它存在有两个确定的临界磁
场，即下临界场Hc1和上临界场Hc2。允许磁场通过。
NbTi 9.5
费米能 超导态
T＝0K,
0K<T<Tc
超导体的能隙
能隙随温度变化的曲线
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三、超 导 材 料的种类
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周期表中的元素超导体
大多数过渡元素和稀土元素都具有超导性；碱金属、铜、银、金，以及 一些铁磁和反铁磁元素未发现其超导电性。元素超导体中，铌具有最高 临界转化温度(9.2K)；只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一 类; 大多数超导合金和化合物则属于第二类。
Superconductivity survives up to the
upper critical field Hc2
Type II Most alloys, HTS, MgB2.
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超导现象的物理本质
1957年由巴丁（Bardeen）、库珀（Cooper）和施里弗 （Sehriffer）合作创建了超导微观理论(BCS) 。
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超导体与理想导体的磁性质的区别
超导态是一个 热力学平衡现 象，抗磁性可 逆；理想导体 的这种磁性质 与加场过程有 关，不可逆。
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3. 超导体的临界参数
临界温度Tc 临界磁场Hc 临界电流密度Jc
一些金属超导体临界 磁场与温度的关系
维持超导状态的必要条件
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4. 超导隧道效应
2.迈斯纳效应
超导体排斥力使永久磁环悬浮
处在超导态的物体完全排斥磁场，即磁力线不能进入超导体内部，这一特 征叫完全抗磁性，通常也叫做迈斯纳效应，是超导态的另一个基本特征。
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超导态为什么会出现完全抗磁性呢？
外磁场在试样表面产生感应电流（b）。此电流所经路径电阻 为零，故它所产生的附加磁场总是与外磁场大小相等，方向相 反，因而使超导体内的合成磁场为零。由于此感应电流能将外 磁场从超导体内挤出（c），故称磁抗感应电流，又因其能起 着屏蔽磁场的作用，又称为屏蔽电流。