12-5超导体的电磁特性讲解
磁学中超导材料的电磁特性分析
磁学中超导材料的电磁特性分析超导材料是一种具有特殊电磁性质的材料，其在低温下能够表现出无电阻和完全磁通排斥的特点。
这些特性使得超导材料在电磁学领域具有广泛的应用，尤其在磁学中，超导材料的电磁特性分析成为研究的重要课题。
一、超导材料的电磁特性超导材料的电磁特性可以通过两个重要参数来描述：临界温度和临界磁场。
临界温度是指超导材料转变为超导态的临界温度，通常用Tc表示。
临界磁场是指在超导态下，超导材料能够承受的最大磁场强度，通常用Hc表示。
超导材料的电磁特性与其晶体结构、材料纯度以及外界磁场等因素密切相关。
例如，超导材料的晶体结构决定了其电子能带结构和能隙大小，从而影响了其临界温度。
材料的纯度对超导材料的电磁特性也有重要影响，杂质和缺陷会破坏超导材料的电子配对，降低其超导性能。
外界磁场对超导材料的电磁特性同样具有显著影响，超导材料在外界磁场作用下会出现磁通量量子化现象。
二、超导材料的电磁特性分析方法研究超导材料的电磁特性需要使用一系列分析方法和实验手段。
其中，磁化率测量是一种常用的方法。
磁化率是材料对外界磁场响应的程度，超导材料的磁化率在临界温度附近会出现明显变化。
通过测量超导材料在不同温度下的磁化率，可以确定其临界温度。
另一种常用的方法是磁滞回线测量。
磁滞回线是材料在外界磁场变化过程中磁化强度与磁场强度之间的关系曲线。
超导材料在超导态下，磁滞回线呈现出完全磁通排斥的特点，可以通过测量磁滞回线的面积来计算超导材料的临界磁场。
此外，磁化率和磁滞回线测量还可以用于研究超导材料的磁通动力学行为。
超导材料在外界磁场作用下，磁通量会发生变化，形成磁通量的运动。
通过测量磁滞回线的形状和磁化率的变化，可以研究超导材料的磁通动力学行为，包括磁通量的损耗和磁通量的穿透深度等。
三、超导材料的应用超导材料的电磁特性使其在磁学领域具有广泛的应用。
其中，最常见的应用是超导磁体。
超导磁体利用超导材料的完全磁通排斥特性，可以产生强大的磁场，广泛应用于核磁共振成像、磁共振成像和粒子加速器等领域。
超导体的电磁性质研究
超导体的电磁性质研究超导体是指在低温条件下具有零电阻的材料。
自从1957年超导现象被发现以来，科学家们一直在致力于研究超导体的电磁性质。
这些研究不仅对于理解基础物理现象，还对于实际应用具有重要意义。
超导体的电磁性质研究主要可以分为两个方面：超导态和正常态。
在超导态下，超导体展现出了许多令人印象深刻的电磁性质。
其中最重要的是零电阻和迈斯纳效应。
零电阻是超导体最引人注目的特性之一。
当超导体被冷却到临界温度以下，电流可以通过超导体自由流动，而不受电阻的影响。
这种无阻碍的电流传输使超导体在电力输送方面具有重要意义。
由于电流不会损耗能量，超导体的电输送效率非常高，可以有效地减少能源的浪费。
因此，超导体在电力输送和电能存储方面有着广泛的应用前景。
迈斯纳效应是一种超导体在磁场中表现出来的特殊现象。
磁场对于正常导体来说会引起电阻增加，但在超导体中，磁场足够强时，电流会被磁场挤出超导体内部，导致电阻急剧增加。
这种现象被称为迈斯纳效应，它与超导体的临界磁场密切相关。
迈斯纳效应在实际应用中也具有重要意义，例如在磁共振成像中，利用迈斯纳效应可以使超导体产生高强度的均匀磁场。
除了超导态，超导体在正常态下也有一些有趣的电磁性质。
例如，正常态下的超导体表现出了电阻的经典特性，即电流和电压之间符合欧姆定律。
此外，在正常态下，超导体仍然对磁场具有非常敏感的特性。
当磁场穿过超导体时，会引起超导电流的涡旋流动，这被称为涡旋电流。
涡旋电流产生的磁场会抵消外部磁场的作用，从而使超导体对磁场具有一定的屏蔽效应。
对于超导体的电磁性质研究主要集中在两个方面：理论模型和实验研究。
理论模型主要包括BCS理论和Ginzburg-Landau理论。
BCS理论是描述超导性的经典理论之一，它从微观角度解释了超导现象的本质。
而Ginzburg-Landau理论是一种更加抽象和统一的理论模型，可以用来描述超导体的宏观性质，如超导态的磁化率、穿透深度等。
实验研究是验证理论模型的重要手段。
12-5超导体的电磁特性
或杂质的阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通
路不受影响，从而产生超导现象。
10.4. 产生超导电性的原因
温度对超导电性的影响：
温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合
愈牢固，超导电性越显著。
温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破
坏，就失去了超导性。
10.4. 产生超导电性的原因
BCS Theory (1957)解释了超导电性现象的本质 Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖
§12-5 超导体的电磁特性
一、超导体(superconductor)的主要电磁特性 1. 零电阻性
1911卡末林-昂内斯发现水银在4.2K时电阻消失。 电阻为零的现象称为超导电性，出现超导电现象 的温度称为转变温度或临界温度，常用TC表示。
1
电阻为零的导体是理想导体， =0， 根据 E=j0 得 E=0 理想导体内部电场也为零。
外加磁场透入超导体表面层中感生了超导电流。 此电流在超导体内部产生的磁场正好将外磁场完全 抵消，使内部不存在磁场，超导体的完全抗磁性。
17
金属超导材料的类型
除钒、铌、钽大多数金属 金属元素超导体： 元素都是第I类超导体； 钒、铌、钽为第II类超导 体。 合金超导体：绝大多数为第II类超导体；
金属化合物超导体： 绝大多数为第II类超导体；
通过与晶格的相互作用而吸引在一起形成库珀对，
不受晶格的散射提供超导电性。临界温度TC由库珀
对的结合能 决定。
临界温度可以表示为
结合能 也称为能隙，是量子理论的结果。
Tc k
8
10.4. 产生超导电性的原因
声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形 成电子对。 两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动
超导体的基本物理特性
超导体的基本物理特性超导体，又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。
那么关于超导体，它的基本物理特性有哪些?在下面店铺给你分享超导体的基本物理特性，欢迎阅读。
超导体的基本物理特性：完全导电性完全电导性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。
完全电导性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。
[1] 交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起;在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起。
交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数，如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷费用，提高运行的稳定性。
超导体的基本物理特性：完全抗磁性完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。
完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。
超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。
从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零;但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。
对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键。
超导体的基本物理特性：通量量子化通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体(superconductor)—绝缘体(insulator)—超导体(superconductor)结构可以产生超导电流。
超导体的电磁特性
一、超导体(superconductor)旳主要电磁特征 1. 零电阻性 1911卡末林-昂内斯发觉水银在4.2K时电阻消失。
电阻为零旳现象称为超导电性，出现超导电现象 旳温度称为转变温度或临界温度，常用TC表达。
电阻为零旳导体是理想导体， ρ =0 ， , 根据 E=ρj0 得 E=0 理想导体内部电场也为零。
量M有一定关系
这种特征称同位素效应。 同种材料同位素在化学性质、晶体构造、电子 组态及静电性质等方面都相同，只是不同原子量 对晶体点阵旳热振动(晶格振动)旳特征有影响。 超导体旳同位素效应暗示了电子与晶格之间旳 相互作用是超导现象中旳主要原因，为超导电性 旳研究提供了主要启示。
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§12-6 麦克斯韦电磁理论
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相等，由安培环路定理有：
I
I
S1 L S2
10
对于稳恒电流，
穿过环路所张任意曲面
I
I
旳电流强度都是相等旳。
但对于非稳恒电流又怎 样呢？例如电容器充电
S1 L S2
过程,当电键 K 闭合时,电 S1
S2
源对电容器充电,电路中
旳电流是变化旳,作环路
L, 对 L 也张两个曲面 S1、
S2
Lε
K
11
对 S1 面有电流流过, 而 S2 面作在电容器 内侧,因为电容器是 绝缘旳，无电流经
过，对S1 面应用安 培环路定理：
S1
S2
Lε
K
对 S2 面应用安培环路定理，因为 S2 面无电流经过，则
12
由此看出对于同一种环路 L， 因为对环路所张旳曲面不同， 所得到旳成果也不同。
但是电容充电时电流能够写成
S1
超导材料的电磁特性与测量方法
超导材料的电磁特性与测量方法引言超导材料是一类在低温下表现出零电阻和完全抗磁性的材料。
这种特殊的电磁特性使得超导材料在许多领域具有广泛的应用潜力，包括能源传输、磁共振成像、量子计算等。
为了深入了解超导材料的电磁特性，并能够准确测量其性能参数，科学家们开发了一系列先进的测量方法。
本文将介绍超导材料的电磁特性以及常用的测量方法。
超导材料的电磁特性超导材料的电磁特性主要包括零电阻和完全抗磁性两个方面。
零电阻是指超导材料在超导态下电阻为零。
在超导态下，电子与晶格之间的散射被强烈抑制，电流可以在材料中无阻碍地流动。
这种零电阻的特性使得超导材料在能源传输方面具有巨大的优势。
例如，超导电缆可以将电能以高效率传输到远距离的地方，减少能源损耗。
完全抗磁性是指超导材料在超导态下对外磁场表现出完全抗拒的特性。
当超导材料处于超导态时，外加磁场会被超导电流产生的反向磁场完全抵消，使得超导材料对外磁场没有任何响应。
这种完全抗磁性的特性使得超导材料在磁共振成像等领域具有广泛的应用。
超导材料的测量方法为了准确测量超导材料的电磁特性，科学家们开发了一系列先进的测量方法。
一种常用的测量方法是四探针法。
该方法通过在超导材料上施加电流，并在材料表面的不同位置测量电压差来确定材料的电阻。
由于超导材料的电阻为零，所以在超导态下，四探针法测量到的电压差也为零。
通过改变施加的电流大小，可以得到超导材料的临界电流，即材料从超导态转变为正常态的临界条件。
另一种常用的测量方法是交流磁化率测量。
该方法通过在超导材料上施加交变磁场，并测量材料对交变磁场的响应来确定材料的磁化率。
在超导态下，材料对外磁场没有任何响应，所以交流磁化率测量得到的数值为零。
通过改变施加的交变磁场的频率和强度，可以得到超导材料的临界温度和临界磁场等参数。
此外，还有许多其他的测量方法被用于研究超导材料的电磁特性。
例如，磁滞回线测量可以用来确定超导材料的临界磁场和临界电流密度。
磁化率测量可以用来研究超导材料的磁性行为。
超导体的磁性与电性质
超导体的磁性与电性质超导体是一类具有特殊电性质的材料，它们在超低温下表现出完全零电阻和完全磁通排斥的特点。
这一特性使得超导体在电力输送、磁共振成像以及粒子加速器等领域有着广泛的应用。
本文将介绍超导体的磁性和电性质，并探讨其中的相关机理。
一、超导体的磁性质超导体的磁性质主要表现为磁通排斥现象。
在超导体中，当外加磁场超过一定临界值时，超导体会自发地排斥磁通的进入，使得磁场在超导体内部几乎为零。
这一现象称为Meissner效应。
Meissner效应的机理是由超导体中的电子配对所导致的。
在超导体中，低温下电子可以通过库伯对的形式相互配对，形成一种称为Cooper对的准粒子。
这些Cooper对能够在超导体中自由移动，而不会受到散射的影响，从而导致超导体的零电阻特性。
当外加磁场作用于超导体时，磁场会影响Cooper对的运动，从而破坏超导态。
然而，Cooper对又会通过一种相互协作的方式排斥磁场的进入。
具体来说，当磁场增加时，Cooper对会调整运动方向，使得它们的运动路径围绕磁场线圈，从而形成一个抗磁性的电流环。
这个电流环产生的磁场与外加磁场方向相反，从而实现了磁通的排斥。
这种排斥作用使得超导体在外加磁场下形成一个磁场屏蔽区域，以及一个磁场漂移区域。
二、超导体的电性质超导体的电性质主要表现为完全零电阻和迈斯纳效应。
超导体在超低温下具有完全零电阻的特性，即电流可以在超导体中无阻碍地流动。
这一特性使得超导体在电力输送、电磁感应和粒子加速器等领域得到广泛应用。
完全零电阻的机理同样与Cooper对的形成有关。
当电流流过超导体时，Cooper对会影响电子的运动，并减小电子散射的可能性。
这导致了电子在超导体中的无阻碍传导，即完全零电阻的特性。
此外，超导体的零电阻还与超导能隙和库伯对的形成有关，但由于篇幅有限，本文不做详细介绍。
此外，超导体还表现出一种称为迈斯纳效应的特性。
当超导体中存在磁场时，电流会沿磁感线圈流动，形成一种称为迈斯纳电流的现象。
电动力学三五(超导体的电磁性质)课件
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总结词
超导体的发现可以追溯到1911年，自那时以来，超导体的研究和应用得到了迅 速发展。
详细描述
1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯首次发现了超导现象。自那时以来，科学 家们一直在探索超导现象的原理和超导体的应用。近年来，随着高温超导体的 发现和应用，超导体的研究和应用得到了更广泛的发展。
02
超导体的电磁性质
03
计算能力
超导体在量子计算领域具 有重要应用，其特殊的电 磁性质使得量子比特更加 稳定和可靠。
算法实现
利用超导材料制作的量子 比特，可以实现复杂的量 子算法，推动人工智能和 大数据处理的发展。
未来科技
超导量子计算机被认为是 未来科技的重要发展方向， 有望在密码学、化学模拟 等领域发挥巨大作用。
04
磁通流动的特性与超导体的表面阻抗有关，表面阻抗越小，磁通流动的效率越高。
03
超导体的应用
超导体的电力传
高效能源传输
01
超导体具有零电阻的特性，利用这一特性，可以实现高效、无
损耗的电力传输。
大规模电网
02
超导技术可以构建大规模的电网系统， Nhomakorabea高能源的利用效率和
稳定性。
降低能源损失
03
由于超导体的零电阻特性，电力在传输过程中不会产生热量，
这个基本单位称为磁通量量子，其值为h/2e（h为普 朗克常数，e为电子电荷）。
磁通量量子化的原因是超导体中的电子在磁场中形成 量子化的能级，导致磁通量只能以基本单位的整数倍
变化。
超导体的磁通流动
超导体中存在磁通流动的现象，即磁通量可以沿着超导体的表面流动而不会产生电阻。 磁通流动的产生需要一定的条件，例如需要存在一定的电流密度和磁场强度。
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电磁学规律解释超导体的零电阻性和完 全抗磁性。
正常电子遵从欧姆定律 jn E
电场使超导电子产生加速度 超导电流密度为
ms
dv dt
es E
js
nsesv
E=
ms nses
2
t
js
伦敦第一方程反映 超导体零电阻性。
对于恒定的超导电流
js
0,E=0
1986年高温超导现象和材料的发现，出现了BCS 理论无法解释的事实。
新材料的能隙值与BCS理论值有较大差异，在 Y-Ba-Cu-O系和Eu-Ba-Cu-O系材料中以代替，几 乎未观察到同位素效应等。
一般认为BCS理论只适用于低温超导现象，对于 高温超导现象，目前尚无成熟的理论。
12
按二流体模型并认为超导电子就是库珀对，利用
t
，jn = 0。
交变的超导电流，js
t
0
,E 0, jn 0,存在交流损耗。
13
将假伦定敦可改恒第E以写矢一得为量方到为程tBt零[代得，入(即(n电mns得ems磁sse2ss感2tjs应j()sn)定mjsseBss律B2=]的恒jsn)矢微ms0e量分ss2 形BBt式
10.4. 产生超导电性的原因
温度对超导电性的影响：
温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合 愈牢固，超导电性越显著。
温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破 坏，就失去了超导性。
10.4. 产生超导电性的原因
BCS Theory (1957)解释了超导电性现象的本质 Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖
将
B(z)
B0ez /ex
超导体表面层中电流
代入 js
js
B0 μ0 λ
e
ms
z/λ
ns ey
es
2
B
外加磁场透入超导体表面层中感生了超导电流。
此电流在超导体内部产生的磁场正好将外磁场完全
抵消，使内部不存在磁场，超导体的完全抗磁性。
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金属超导材料的类型
§12-5 超导体的电磁特性
一、超导体(superconductor)的主要电磁特性 1. 零电阻性
1911卡末林-昂内斯发现水银在4.2K时电阻消失。 电阻为零的现象称为超导电性，出现超导电现象 的温度称为转变温度或临界温度，常用TC表示。
1
电阻为零的导体是理想导体， =0， ,
根据 E=j0 得 E=0 理想导体内部电场也为零。
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*二、对超导体主要电磁特性的解释 二流体模型：正常电子和超导电子提供两种电流 。
1957年由巴丁、库珀和史列菲在量子力学的基础 上提出的超导微观理论——BCS理论。
解释超导电子起因和本质，两个自旋相反的电子
通过与晶格的相互作用而吸引在一起形成库珀对，
不受晶格的散射提供超导电性。临界温度TC由库珀
量M有一定关系 TC M 1/2
这种特性称同位素效应。
同种材料同位素在化学性质、晶体结构、电子 组态及静电性质等方面都相同，只是不同原子量 对晶体点阵的热振动(晶格振动)的特性有影响。
超导体的同位素效应暗示了电子与晶格之间的 相互作用是超导现象中的重要因素，为超导电性 的研究提供了重要启示。
6
临界电流IC
IC
T I0[1 (TC
)2 ]
当超导体内电流I>IC时，超导态将转变为正常态。
3
3. 迈斯纳效应 将超导体置于磁场仍保持超导态，或在磁场中由
正常态转变为超导态，超导体都将把磁感应线完全 排斥到体外去, 此现象称迈斯纳效应或完全抗磁性。
磁场只能透入超导体表面约107 m数量级深度。
写成该矢方量程式的解为BB(z()z)BB0e0ez /z/ex(z
0) (z
0)
上式表明磁场不能进入超导体内部，只能以指
数衰减的形式透入超导体表面的薄层中。 16
定义透入深度为
(
ms 0nses2
)1/2
在z =处，磁场衰减为表面磁场的1/e=0.37。
透入深度约为107m的数量级。
除钒、铌、钽大多数金属
金属元素超导体： 元素都是第I类超导体；
钒、铌、钽为第II类
0
∴B = 恒矢量
t
超导体内部不可能存在随时间变化的磁场。
2
2. 临界磁场 温度不变，逐渐增大磁场达到某特定值时超导
态转变为正常态，此特定值称临界磁场BC
BC (T
)
B0 [1
T ( TC
)2
]
超导态不仅要求温度低于TC，且要求磁场小于BC ，
而正常态只要满足T >TC和B >BC两个条件之一即可。
伦敦第二方程，表明超导电流是与磁场相联
系的，或者说超导电流是由磁场来维持的。
14
超导电流恒定时，超导体内不 存在 电场，
安培环路定理的微分形式写为 B 0 js
认为超导体=0。对等号两边同取旋度，再
利用矢量分析公式和伦敦第二方程，得
2B
μ0 ns es 2
B=0
W. Meissner
4
完全抗磁性和零电阻性是超导体的两种彼此独立 的基本性质。
超导体的完全抗磁性来源于零电阻性是一种误解。由零电 阻性只能得到理想导体内部B矢量不随时间变化，若在磁场中 降至临界温度以下变为超导态，超导体内只能保持失去电阻时 的磁场状态不变，而不可能得到内部磁场为零的结果。
5
4. 同位素效应 同种超导材料不同同位素的临界温度TC与原子
对的结合能 决定。
临界温度可以表示为
Tc
k
结合能 也称为能隙，是量子理论的结果。 8
10.4. 产生超导电性的原因
声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形 成电子对。 两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动 或杂质的阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通 路不受影响，从而产生超导现象。
ms
令 1 0nses2
2
ms
2B
1 λ2
B=0
在恒定情况下超导体内磁场分布所满足的方程式。
15
场其如的中果形于e超式x是是成导为x为体方2B占向Bdd据的2zλB21Bz单2>(B0位z的)1=矢2e空0xB量并间。且，0在作z用=0B于0 超BO导z体B0外ex磁Bx