超导体论文

超导体的原理、性质及其应用

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（..，南京 211189）

摘要：1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；

后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。低温时，导体导电度急剧增加，即电阻值为零时，我们称之为超导状态。而处于超导状态的导体我们称之为超导体。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。为了实现超导材料的实用性，科学家们经过数十年的努力，跨越了超导材料的磁电障碍，开始了探索高温超导的历程。

关键词：超导应用原理

Principles, Properties and Applications of

Superconductors

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(…, Nanjing 210000)

Abstract: In 1911, H.Kamerlingh Onnes from the University of Leiden finds that when the mercury cooled to -268.98 ℃, the resistance of it suddenly disappeared. Later he found that many metals and alloys are similar to the above mercury at low temperatures. Due to its special conductive properties H.Kamerlingh Onnes calls it the superconducting state. AT low temperatures, the conductor conductivity increased dramatically, we call it the superconducting state. While in the superconducting state, we call the conductor superconductors. Superconductivity and anti-magnetic superconductors are two important features. In order to achieve practical superconducting materials, scientists have spent decades exploring the course.

key words: Superconductors Applications Principles

一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子

热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。超导体的一系列应用与发展正是基于超导体这一特殊的性质。本文对超导体的原理、性质以及它在现代技术的广大应用进行具体的介绍。超导体原理的介绍

1911年，卡末林发现了零电阻的现象。1914年，他又发现，将超导体置于磁场中，当磁场增大到某一临界值B C时，或者在超导体中通过的电流密度超过某一临界值j C时，超导体都将从超导态转

变为正常态。人们常用临界温度T C、临界磁场B C 和临界电流密度j C表征超导材料的超导性能，这三个临界参量的值把材料的超导态所存在的范围限定在如下图所示的三条曲线构成的曲面以内。

但是对于超导的现象，其背后的理论是什么呢？下面对其进行具体的介绍。

1麦斯纳效应

1.1理想导体的磁学性质

如果把超导体看成是电阻为零并遵守欧姆定律的所谓理想导体，则遵守欧姆定律:

j=δE

由δ→∞可得理想导体内

E i=0

再由电磁感应定律的微分形式可得

-∂B/ ∂t =∆ ⨯E = 0

这就是说，在理想导体中不可能有随时间变化的磁场，即在理想导体内部保持着当它失去电阻时(由此可见理想导体也有从非理想导电性的状态向理想导电性状态的转变，即临界状态。)样品内部的磁场，可以认为磁通分布被“冻结”在理想导体中，外加磁场的变化不能改变“冻结”在理想导体内部的磁通分布。其物理解释是：外加磁场的任何变化都会在样品表面感生出无阻电流，而这无阻电流在样品内产生的磁场与外加磁场的变化在样品内部的磁通分布处处相等而相反，结果理想导体内部的磁场不变”

1.2超导体的完全抗磁性迈斯纳效应

为了研究超导体的磁学性质，1933年迈斯纳（W.F.Meissner）和奥克森菲尔德（R.Ochsenfeld）测量了锡和铁的样品外部的磁场分布。他们发现，不论是在没有外加磁场或有外加磁场的情况下使样品从正常态转变为超导态，只要T

迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体决不允许磁感应强度B存在于它的体内，即超导体具有完全抗磁性。超导体在磁场中得行为与加磁场的次序无关，与它所经历的过程或历史无关。如图所示，在外磁场中冷却样品后再退磁场到零的过程中，超导体则体现出完全抗磁性，这是理想导体所不具有的一种性质。

在给定的条件下，超导体的磁状态是唯一确定的，与达到这一状态的具体过程无关。零电阻现象和完全抗磁性是超导体的两个独立的基本性质。

1.3二流体模型伦敦方程

超导体的完全抗磁性可以用唯象的二流体模型和伦敦方程来解释。

为了解释超导电性的某些热力学性质，1934年高脱（Gortor）和卡西米（Gasimir）提出了一个唯象的二流体模型。他们假定晶体中自由电子由正常的和超流的两部分电子组成。他们具有不同的性质。一方面，正常电子形成的电流j n靠电场E来维持，并遵从欧姆定律：

j n=δE。

另一方面，超导电子不遵从欧姆定律，在电场力e S E 的作用下，超导电子遵从得自牛顿第二定律的加速方程

m S ×dυ/dt=e S E

式中m S

、

υ和e S表示超导电子的质量、运动速度和电荷。

这个模型可定性描述纯金属和浓度高的合金超导体的热导率随温度变化的关系。但不能解释电磁波吸收等现象。

伦敦方程是F.伦敦(Fritz London 1900～1954)和H.伦敦(Heinz London 1907～1970)所建立的超导体的