超导体电磁性质及恒定电路
超导体的机理和性质
超导体的机理和性质超导体是一类具有特殊性质的物质，在极低温下可以实现电阻为零的状态。
超导体不仅在实际应用中有着广泛的用途，而且在物理学领域中也是一个极其重要的研究方向。
那么，超导体的机理和性质到底是什么呢？一、超导体的机理超导体的机理可以从两方面来讲解，一方面是基于磁场的描述，另一方面则是从电子的角度出发进行解释。
1. 基于磁场的描述在正常物质中，当电流通过时，会产生磁场，而这个磁场会导致电流受到阻力，即发生电阻。
而在超导体中，当电流被注入时，它会形成一个超导电流，这个超导电流会抵消掉磁场，从而产生电阻为零的状态。
2. 从电子的角度出发进行解释超导体中的电子具有一种特殊的状态，被称为“库伯对”。
库伯对可以被理解为二个电子之间的一种电子-电子耦合，通过这种耦合，两个电子可以彼此吸引，形成一个相对稳定的状态。
而且，这种相对稳定的状态不易被外部因素所破坏。
二、超导体的性质超导体除了电阻为零以外，还具有一些其他特殊的性质。
1. 迈斯纳效应当超导体中存在磁场时，超导电流会抵消掉这个磁场，但如果外加的磁场大小超过了一定的限制，就会产生一个有趣的现象，即迈斯纳效应。
这种现象可以被理解为，磁场逐渐穿透进超导体内部，形成一个环状的电流通路。
这种环状的电流通路会对磁场进行抗拒，从而保护超导体内部的电流状态不被外部磁场破坏。
2. 艾伦-费因曼效应艾伦-费因曼效应是一种非常奇妙的现象，它可以被理解为超导体中存在一种“超导电子”，这些超导电子感觉不到超导体中的杂质和缺陷，但却能够留下一个磁通量。
当超导体被注入电流时，这些超导电子会以一种非常奇特的方式流动，从而产生一定的磁场。
3. 费米液体理论超导体中的电子状态极为复杂，涉及大量的量子力学知识。
在超导体的研究中，一个十分重要的理论就是费米液体理论。
这个理论可以被用来描述超导体中电子的行为，包括电子的动量、浓度、自旋等等特性。
费米液体理论十分复杂，但通过它，我们可以更深入地了解超导体中电子的运动规律。
超导体的性质及其应用
超导体的性质及其应用超导体是一种特殊的物质，具有超导性质，即在超导状态下，电流能够无阻尼地流动。
超导体的发现已经有一百多年的历史，但是这一领域仍然在不断地探索和发展，因为它具有广泛的应用前景。
一、超导体的基本特性超导现象是普通金属、半导体、绝缘体在低温下发生的。
在某一温度下，金属或其他材料的电阻突然降到零，这被称为超导现象。
此时电流可以在材料内无耗散地流动。
超导体具有以下几个基本特性：1. 零电阻超导体在超导状态下的电阻是零，电流能够在材料内无阻尼地流动。
这种特性意味着超导体可以作为高效的电线和电缆使用。
通过在超导体内流动电流，我们可以将能量输送到远处的地方。
2. 磁通量量子化在超导体中，磁通量的变化是量子化的。
这意味着磁通量只能在一个固定的大小范围内变化。
这一特性使得超导体可以作为高精度的磁测量仪使用。
3. 非常低的热导率超导体的热导率非常低，这意味着在超导状态下，超导体会把电流输送到远处，而不会将能量释放为热量。
这是超导体应用于高能物理实验和医疗成像等领域的原因之一。
二、超导体的应用超导体的这些特性使得它在各种领域中具有广泛的应用前景。
以下是一些主要的应用领域：1. 超导磁体超导体可以用来制造非常强大的磁体。
这些磁体在医疗成像、核磁共振、加速器、磁悬浮列车等领域中广泛应用。
利用超导体制造的磁体比利用传统材料制造的磁体更强大，同时也能节省能源和成本。
2. 超导电缆超导体可以作为高能量输送的高效电缆使用。
利用超导体制造的电缆具有比传统电缆更高的能量传输速率，同时能够降低能量损失和线路堵塞。
3. 超导电子元器件超导体可以用来制造高速、高精度的电子元器件，如微波滤波器、量子比特、SQUID等。
这些元器件在通信、计算机、量子计算等领域中有重要的应用。
4. 超导电动机利用超导体制造的电动机比利用传统材料制造的电动机更高效、更具可靠性。
这些电动机在船舶、航空航天、高速列车等领域中有广泛的应用前景。
5. 超导材料随着超导材料的研究和制造技术的发展，超导材料的性能不断提高，同时成本也在逐步降低。
超导电基本现象和基本规律
这种在低温下发生的零电阻现象, 被称为物质的超 导电性, 具有超导电性的材料称为超导体。电阻突 然消失的温度叫做超导体的临界温度, 用 Tc 表示
Tc 是物质参数, 同一种材料在相同条件下有确定 的值。例如: Hg 的 Tc=4.15K, Pb 的 Tc=7.201K, 等
由此得到与外场成比例的磁化强度
同时体内的磁场强度
3 M H0
2
M3 HH0 H0
32
球外的磁场就等于外磁场再加上等于整个球体的磁 矩的偶极子的磁场。很多精确的检验迈斯纳效应的 实验是靠测量物体的磁矩
超导电基本现象和基本规律
Meissner 效应
超导电基本现象和基本规律
§10-2 超导转变和热力学
超导电基本现象和基本规律
以上实验所确定的迈斯纳效应, 往往概括成: 超导体具有完全的抗磁性
即在超导体内保持 B 0
超导电基本现象和基本规律
完全的抗磁性并不是说磁化强度和磁 场强度等于零, 根据 B=μ0(H+M), 有
MH
除去一些特殊情况, 例如样品为圆柱体, 而 外磁场 H0 平行于轴线; 或样品为无限大平 面, H0 平行于表面, 外磁场 H0=H, 其它形 状的样品都因有退磁场的作用使 H≠H0
当温度在 Tc 以上时, 超导体和正常金属一样, 具有有 限的电阻值, 这时超导体处于正常态; 当温度在 Tc 以 下时, 超导体进入零超电导电阻基本状现象态和基—本规—律 超导态
低温技术的进展, 使人们能够获得比氦沸点(4.2K)更 低得多的温度。实验发现超导电性是相当普遍存在 的。人们发现在常压下有超导转变的元素共计 28 种
超导电基本现象和基本规律
以球形样品为例, 在均匀外场中将沿磁场方向均匀磁 化。如果磁化强度为 M, 则各处磁场强度可以根据 M 所引起的表面“磁荷”分布计算, 这样磁荷应在球内产 生均匀磁场强度（退磁场）
超导体的电磁学性质及热力学解释
超导体的电磁学性质及热力学解释超导电是在低温下具有广泛性的现象，现在已知道，有二十多种元素，大量的化合物，都在一定的临界温度下，转入所谓超导电状态。
超导体与温度、磁场、电流密度的大小密切相关，这些条件的上限分别称为临界温度(critical temperature, Tc)、临界磁场(critical magnetic field, Hc)和临界电流密度(critical electric current density, Jc)。
超导电性有两个最基本的特性：完全导电性和完全抗磁性。
常压下，元素中超导临界温度最高的是Nb(9.26K)，最低的是Rh(0.0002K)。
近年来人们始终在努力寻求临界温度更高的所谓高 Tc 超导材料，到目前为止，已经发现了三代高温超导材料，第一代为镧系高温超导材料，第二代为钇系高温超导材料，第三代为铋系、铊系及汞系高温超导材料。
1.超导体的电磁学性质1.1 零电阻1911年荷兰物理学家昂内斯(H.R.Onnes)在研究水银在低温下的电阻时，发现当温度降低至4.2K以下后，水银的电阻突然消失，呈现零电阻状态。
昂内斯便把这种低温下物质具有零电阻的性能称为超导电性。
电阻是用灵敏电位计测量通过一定电流样品上的电压降而确定的，样品本身被浸在液氦中。
当时发现 Hg 的电阻在 4.2K 左右陡然下降。
实验证明，测量电流愈小，电阻变化愈尖锐，用足够小的测量电流能使电阻的下降集中发生在 0.01K 的狭窄范围内。
在这个转变温度以下，电阻完全消失。
汞在液氦温度左右的电阻变化如下图所示。
上述检测方法由于仪器的灵敏度问题而受到质疑。
Onnes利用“持久电流”实验解决了这个问题。
在外磁场作用下，使环状的样品发生上述转变，然后撤去磁场，这时在环内产生感生电流。
他发现当温度降到临界温度以下，用磁针在低温容器之外检验感生电流，结果在很长时间内，完全不能发现任何变化。
而温度提高到临界温度以上时，电流立即消失。
超导体的性质及应用
超导体的性质及应用超导体是一种在极低温下（通常小于零下196度）能够完全无阻力地导电的材料。
超导体具有一系列特殊的性质，而这些性质也为其在现代科技中的应用带来了极大的潜力。
本文将介绍超导体的基本性质以及其在各个领域中的应用。
一、超导体的基本性质1. 零电阻在极低温下，超导体能够完全无阻力地导电。
此时，电流会在超导体内部的电子对上流动，而这些电子对能够有效地避免了电阻的产生。
同时，由于存在零电阻状态，超导体的能量损失也非常小，因此能够有效地减少能量的浪费。
2. 恒定磁通量超导体内部的磁通量是恒定的，不受外界磁场的影响。
这是由于超导体内部的电流会产生磁场，而这个磁场会抵消外部的磁场，从而使得超导体内部的磁通量保持不变。
3. 超导态和正常态超导体存在两种状态，分别为超导态和正常态。
在超导态下，电流能够无阻力地流动，而在正常态下，电流受到阻力的影响，会产生能量损耗。
超导体的这种双重状态使其在不同领域中的应用具有极大的灵活性。
二、超导体的应用1. 磁共振成像技术超导体能够恒定磁通量，因此被广泛应用于MRI（磁共振成像）技术中。
MRI技术利用磁场和无线电波来创建图像，而超导体是产生这种强磁场的关键材料。
目前，MRI技术已经成为医学诊断的重要手段，为人们提供了高清晰度的内部图像。
2. 超导电缆超导电缆利用超导体的零电阻特性，将电流无损耗地传输。
由于超导电缆不仅能够减少能量的损失，而且还能够极大地提高能量传输的效率，因此被广泛应用于输电和通信领域。
例如，一些国际能源大项目中需要长距离、高电流密度输电，而超导电缆正是实现这一目标的重要手段。
3. 量子计算量子计算是一种基于量子力学原理的计算方式，其中的基本单位是量子比特（qubit）。
超导体能够很好地充当qubit，因为其双重状态使其有较好的干净度、长寿命和易于量子操控等特点。
目前，量子计算被看作是未来计算技术的发展方向之一，而超导体则是量子计算中不可或缺的重要材料。
电动力学三五(超导体的电磁性质)
d2B 1
dz2 2L B
B(z) B(0)ez/L
当z为数个L线度时，B(z)基本上为零。 L标志
着磁场透入超导体内的线度------穿透深度
26
电流分布
Js B
( Js ) B
2Js
1
2L
Js,
Js 0
L------电流穿透深度
27
例1 求理想迈斯纳状态下，超导体 的面电流密度s与边界上的磁感应 强度B之间的关系。
J＝ Js ＋ Jn
15
正常电流满足欧姆定律
Jn ＝σE
由于超导电子运动不受阻尼，电 场E将使电子加速，设v为超导电 子速度，则有
m eE
16
超导电流密度
Js ＝-ns e v
因此可以得到
Js E, ( nse2 )
t
m
------第一伦敦方程 代替欧姆定律的超导电流方程
17
恒定情况
由伦敦第一方程可以导出超导体的零电阻性。
柱内：将L换为p。由对称性，磁场只 能是柱坐标中径向坐标的函数，服从 方程
2B
1 2p
B
d2B( d 2
)
1
dB( ) d
2B( )
0
1 p
常数 零阶虚宗量贝塞尔函数
B CI0()ez
39
边值关系 B0 CI0(a)
B
B0
I 0 ( ) I 0 (a )
ez
B 0Js
Js
B0 0
考虑在恒定情形下，有第二类超导体存 在时磁场和超导电流分布的求解
（1）一般迈斯纳状态下场分布的求解
在麦克斯韦-伦敦方程中作出修正：
' p , 0
L p
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。
4
§12-6 麦克斯韦电磁理论
25
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)。
超导体的电磁性质
§5 超导体的电磁性质1本节主要内容： 1. 超导体特性之一：零电阻 2. 超导体特性之二：完全抗磁性(Meissner 迈斯纳效应) 3. 超导体的电动力学性质 4. 超导环的磁通俘获和磁通量子化现象2气体液化与低温环境的获得 1892年，发明了杜瓦瓶（中间抽真空，内胆涂有银 的双层玻璃瓶） 1899年，杜瓦（James Dewar）在伦敦皇家研究所成 立100周年庆典上，展示氢气（H2）的液化实验3水银超导体的发现Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) Dutch Physicist、 1882年，进入Leiden大学,研 究低温气体； 1908年,将液体的温度降低到 大约1K，成功将氦气液化； 1911年，开始研究金属在极 低温下的性质； 1912年，发现了水银的超导 电性， 1913年，获Nobel奖4The discovery of superconductivityNotebook 56, 8 April, 1911 Notebook 57, 26 October, 1911“Mercury[‘s resistance] practically zero [at 3 K] ……repeated with gold…”2014/11/5The historic plot. Superconducting transition at 4.2k in mercury5Meissner effectFritz Walther Meissner (1882-1974) 1933 Robert Ochsenfeld (1901-1993)German physicists2014/11/5Perfect diamagnetism below Tc6Londons’ theoryHeinz Fritz Wolfgang London London (1907-1970) (1900-1954) Londons’ Equation: (1935)Ampère's law:German Physicists2014/11/5 7Ginzburg-Landu theoryLev Landau (1908-1968) Vitaly Ginzburg (1916-2009) 1950 The free energy density:Complex order parameterU(1) gauge symmetry broken Soviet physicists2014/11/5其它几种超导体 元素 Al（铝） In（铟） Sn（锡） Pb（铅） Nb（铌） 1911 超导转变温度 1.2 K 3.4 K 3.7 K 7.2 K 9.2 K 198691986年，Muller和Bednorz发现：陶瓷氧化物 LaBaCuO的转变温度可达到35K。
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。
超导磁体的电源设计与控制
超导磁体的电源设计与控制超导磁体是一种应用于科学研究、能源领域和医学诊断的重要设备。
它利用超导材料的特殊性质，在低温下产生强大的磁场。
然而，为了使超导磁体正常工作，电源设计和控制是至关重要的。
一、超导磁体的基本原理超导磁体的基本原理是利用超导材料在低温下的零电阻特性来传输电流。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，电流可以在其中无阻力地流动，形成一个稳定的磁场。
这种零电阻特性使得超导磁体具有高效率和高稳定性的特点。
二、电源设计1. 电源类型超导磁体的电源可以分为直流电源和交流电源两种类型。
直流电源适用于需要持续产生稳定磁场的应用，如核磁共振仪器。
交流电源适用于需要调节磁场强度和方向的应用，如磁共振成像仪器。
2. 电源容量超导磁体的电源容量取决于所需的磁场强度和体积。
较高的磁场强度和较大的体积需要更大容量的电源。
因此，在设计电源时，需要根据具体应用的需求合理选择电源容量。
3. 电源稳定性超导磁体对电源的稳定性要求较高。
由于超导材料的零电阻特性，即使微小的电流波动也可能导致超导材料失去超导状态。
因此，电源设计应考虑到电流的稳定性，以确保超导磁体的正常工作。
三、电源控制1. 电流控制超导磁体的电流控制是保证磁场稳定性的关键。
电流控制系统通常包括电流传感器、反馈控制回路和功率放大器。
电流传感器用于监测电流的变化，反馈控制回路将监测到的电流信号与设定值进行比较，并通过功率放大器调节电源输出，以保持电流稳定。
2. 温度控制超导磁体的温度控制也是电源控制的重要组成部分。
由于超导材料的临界温度较低，需要将超导磁体保持在低温环境中。
温度控制系统通常包括冷却设备和温度传感器。
冷却设备可以通过制冷剂或液氮等方式将超导磁体冷却到所需的温度。
温度传感器用于监测超导磁体的温度变化，并通过控制冷却设备来保持温度稳定。
3. 磁场控制超导磁体的磁场控制可以通过调节电流和磁体几何形状来实现。
电流控制可以通过调节电源输出来改变磁场强度。
超导体的物理性质及其研究
超导体的物理性质及其研究超导体是一种具有特殊物理性质的材料，其在低温下表现出完美的电阻为零的超导电性。
这种独特的性质在实际应用中有广泛的价值，例如磁共振成像（MRI）和电力输送。
本文主要讨论超导体的物理性质及其研究进展。
一、超导体的物理性质1. 临界温度超导体的最重要的一个物理性质是它们的临界温度，也叫做超导转变温度。
当超导体的温度低于临界温度时，其电阻为零，电流可以在其内部无阻力地流动。
超导材料中，铜氧化物超导体具有最高的转变温度，可以达到约135K。
2. 磁通量量子磁通量量子是指在超导体中磁场的单位量，其值为h/(2e)，h为普朗克常数，e为元电荷。
磁通量量子可以用来解释一些超导体现象，例如磁通量的量子化和磁通量量子的守恒。
3. 能隙能隙是指在超导体中带电子的最高能级与第二能级之间的能量差。
在超导体中，电子会在第一能级填满时形成一个能隙，这个能隙可以让电流在超导体中流动而不损失能量。
超导体的能隙大小与超导体的临界温度有关系。
二、超导体的研究进展1. 铜氧化物超导体铜氧化物超导体是目前最广泛研究的超导体之一。
由于其临界温度较高，可以在液氮温度下实现超导，因此被广泛应用于实际生产。
在铜氧化物超导体的研究中，发现它们的超导机理与传统超导材料不同，可能与电子之间的相关性有关。
2. 穆斯堡尔光谱穆斯堡尔光谱是一种研究超导体物理性质的重要手段。
它基于核辐射的吸收谱，可以提供有关超导材料的晶体结构、缺陷和电子结构等信息。
3. 调制探究调制探究是一种通过外部调制磁场来研究超导体的物理性质的方法。
它可以使用射频信号来调制磁场，并通过测量超导体在不同磁场下的反应来探究材料的性质。
三、结论超导体的物理性质及其研究进展是一个活跃的研究领域，其研究成果已经在实际应用中得到了广泛的应用。
未来的研究将继续关注超导体的临界温度、超导机理以及相关的能量损失机制等方面，以推动这一领域的发展。
超导电磁的特性及其应用探究
超导电磁的特性及其应用探究超导电磁是指在超导体内部流动的电流所激发的电磁场。
由于超导材料具有零电阻和完全抗磁性的特性，其电磁特性也十分独特。
在过去的几十年里，超导电磁已经被广泛的研究和应用。
本文将会探究超导电磁的特性以及其在科技领域中的应用。
1. 超导电磁的特性在超导体内部流动电流时，由于超导体的零电阻性质，电流是不会受到阻碍的。
这也就意味着当电流通过超导体时，它会不断地流动下去，直到外界施加一个相反的电场，才会停止。
这种电场产生的电磁场叫做超导电磁场。
超导电磁场具有许多独特的特性，包括抗磁性、无耗散性和能够抵消外加磁场。
它的抗磁性表现在超导体内不会出现磁场，这意味着外部磁场无法进入超导体内部。
这项特性对于许多应用领域都有着重要的意义。
超导电磁场的无耗散性质则表现在其电流不会因为产生热量而损失能量。
这也就使得超导体具有高能效的特性，可以在很长一段时间内保持电流的稳定性。
此外，超导体的零电阻性质还意味着电流不会因为电线的阻抗而损失能量。
最后，超导材料的磁场抵消特性可以帮助提高超导体的电流密度。
当外部磁场进入超导体内部时，它会被抵消，从而形成一个磁场自由区域。
这也可以帮助提高超导体的电磁特性。
2. 超导电磁的应用由于超导电磁场的独特特性，其在很多领域中都有着广泛的应用。
2.1 超导磁体超导磁体是最常见的一种应用。
由于超导体内部无法产生磁场，同时外部磁场又会被抵消，这使得超导体能够产生高强度高稳定性的磁场。
这些特性使得超导体在磁共振成像、粒子加速器和磁控制聚变等领域中有着广泛的应用。
2.2 超导电能存储系统超导电能存储系统是一种新型的电能存储系统，可以以极高能量密度和效率存储和释放能量。
这种系统被广泛应用于电网等领域。
2.3 超导电缆超导电缆是一种新型的能量传输方式，可以降低传输能量时的损失。
其特性也使得超导电缆成为一种非常有前途的应用。
2.4 超导量子计算超导体内部的电子运动也可以被用来制造量子比特，从而在量子计算领域中实现高效的计算。
超导体的磁性行为及其应用
超导体的磁性行为及其应用超导体是指在金属或合金的低温下，电阻突然变为零的物质，而磁性行为是超导体的一个重要特征。
超导体的磁性行为与超导体的电性质息息相关，它们是超导体的两个最基本的性质。
超导体的磁性行为1. 杠杆效应在超导体中，当外磁场强度达到临界值时，超导体中的超导电流会产生磁场，而这个磁场又会对超导电流产生作用，进而影响磁场的分布。
这种现象称为杠杆效应。
当外磁场持续增加时，磁场的分布也会随之改变，从而导致超导体的电学特性发生明显的变化。
这种变化是由外磁场强度的改变所引起的，成为杠杆效应。
2. 磁通量量子在超导体中，磁通量和超导电流是密切相关的，它们的关系可以采用磁通量量子来描述。
磁通量量子是一个基本物理常数，它的值为2.07 × 10-15 Wb。
在超导体中，当外磁场穿过超导体形成一个一个单独的磁通管时，就会在这个管道上形成一定数量的磁通量子，而每个超导体的磁通量子数量都是固定的。
3. 恒定电场超导体的磁性行为还可以通过恒定电场来观察。
如果在超导体中产生恒定电场，则电子会顺着电场方向移动，进而形成一个电流。
这个电流一直保持不变，直到电场被去掉。
在超导体中，恒定电场的出现会导致超导电流的出现，从而改变超导体的电学特性。
超导体的应用1. 磁共振成像磁共振成像(即MRI)是一种现代医学诊断技术，它利用磁共振现象对人体进行成像，由于人体是被水了，所以磁共振成像时需要增加一个弱的外磁场，而这个磁场是通过超导体产生的，因此超导体在磁共振成像中具有重要的作用。
2. 超导电缆对于某些电力输送系统，高温超导电缆可以替代常规的电缆来提高输电效率和减少能源损耗。
超导电缆用于输送大量的电力，通常需要大量的超导体，这里用到的超导性能应该非常好，货真价实。
3. 超导磁体常规磁体，如铁磁体、轻金属磁体等，都有一定的限制，超导磁体是一种能产生更强磁场的电磁设备。
超导体被用来制造超导磁体，从而能够产生很强的磁场，这对于磁共振成像、核物理、高能物理等领域非常有用。
超导体的电磁特性与应用
超导体的电磁特性与应用随着科学技术的不断发展，超导体逐渐成为一个备受瞩目的领域。
超导体具有独特的电磁特性，使其在多个领域中具有广泛的应用。
本文将就超导体的电磁特性与应用展开论述。
首先，让我们来了解一下什么是超导体。
超导体是指在低于临界温度时，电阻完全消失，并且磁感应强度完全排斥在其内部的材料。
这种特殊的性质使得超导体在电磁应用中具有巨大的潜力。
超导体的一大电磁特性是零电阻的能力。
在超导状态下，电流可以在没有任何能量损失的情况下流动。
这使得超导体在输电方面具有重要意义。
与传统的金属电线相比，超导体可以高效地输送更大的电流。
这对于工业生产中需要大电流传输的设备是非常有益的。
此外，超导体还具有完全排斥磁场的特性。
这是由于超导体内部的电流产生了一个与外部磁场方向相反的磁场，从而完全抵消了外部磁场的影响。
这种现象被称为迈斯纳效应。
基于这一特性，超导体可以用于制造强磁场设备，如MRI扫描仪和磁悬浮列车。
在MRI扫描仪中，超导磁体可以产生强大的磁场来获取更高质量的图像。
而在磁悬浮列车中，超导磁体可以产生一个强大的磁场以使列车悬浮在轨道上，从而减少摩擦力，提高速度和效率。
除了零电阻和完全排斥磁场的特性外，超导体还具有电流集中效应。
当电流通过超导体时，由于零电阻的特性，电流会被集中在超导体的表面附近形成一个极其强大的电流密度。
这个电流密度可以在很小的面积上产生高强度的磁场，从而使得超导体在磁力传感器和磁探测器中有广泛的应用。
利用超导体的电流集中效应，可以制造出更加灵敏的磁场传感器，用于测量磁场的强度和方向。
另一个与超导体相关的特性是Josephson效应。
Josephson效应指的是当两个超导体之间存在一个非超导体的细小隔离层时，电子对可以通过该隔离层以量子隧道效应的形式进行跃迁。
这种效应的应用包括超导量子干涉仪和SQUID（超导量子干头）。
超导体的电磁特性使得它在多个领域中具有广泛的应用。
除了上述提到的输电、MRI、磁悬浮列车、磁力传感器和磁探测器，超导体还被用于制造超导磁体，用于实验室中的核磁共振实验、粒子加速器和粒子探测器。
电磁场：超导体的电磁性质
低频时，损耗是很小的。超导体更适合于直流（低频）电流的支撑
伦敦第二方程
如何解释迈斯纳效应(超导体内部 B=0 )
✓ 若超导体中的电流产生的磁场总是抵消外加磁场，则可以解释 Meissner效应
伦敦第二方程: Js1B
— 现在说明伦敦第一、第二方程和麦氏第二方程是相容的
Js t
tJs
EB
t
tJsB0, JsBf X
理想导体要求内部磁通不变，但不要求为零（不具有 Meissner效应 ）。
磁通冻结的直观解释
设理想导体球原有一根磁力线，球运动、变形后磁通始终保持不变
完全电离等 离子体也有 同样的性质
冷却
普通导体
理想导体
（撤去外 磁场）
磁通冻 在理想 导体内
理想导体
I
激励磁场的 感应电流
超导现象的二流体唯象理论
B0 JnJs
00E t ,
EB, t
B0, E10f; D0E, B0H
合并构成了研究超导体电磁学问题的基本方城组（出发点）
磁通俘获和磁通量子化
撤去 磁场
内表面 电流
正常相 T T c
加外磁场 T T c
超导磁体 T Tc
— 设当T Tc 时，把正常态的超导环放置于外磁场中．降低温度使 T＜ Tc
超导体的电磁性质
江滨浩，2019. 6
超导电性、 Meissner 效应
理想导体中的磁通冻结
伦敦方程
超导体的趋扶性
超导体电磁性质方程 磁通俘获和磁通量子化 第二类超导体
超导电性
▪ 超导电性：电阻率为零 1015m，
电导率为无穷大
R
超导态的基本条件：
✓ 当温度下降之某临界温度之下，物质的 电阻率突然下降至零，对汞，
超导知识点总结大全
超导知识点总结大全超导是一种特殊的物理现象，指的是在超导材料中出现的零电阻和磁场排斥现象。
超导体在低温下可以表现出这些特殊的性质，这种性质使其在许多领域有着重要的应用价值，如电力输送、磁共振成像、粒子加速器等。
本文将从超导的基本原理、超导体的分类、超导态的性质和应用等方面对超导知识点进行总结。
一、超导的基本原理1. Meissner效应Meissner效应是超导体在临界温度以下对磁场的排斥现象。
当超导体处于超导态时，外加磁场会被完全排斥，因此磁场线会被挤压到超导体的周围空间，从而使得超导体在磁场下表现出宏观的磁性。
2. 零电阻超导体在超导态下表现出零电阻的性质，即在超导态下电流可以无阻力地流动。
这是由于超导体中的电子以配对的方式排列，形成了一种类似玻色子的集体运动，因而不会受到散射和阻碍，从而形成零电阻。
3. 超导态的出现超导态的出现是由于超导材料中的库珀对电子结对形成了玻色爱因斯坦凝聚，使得电子可以以集体的方式跨越能隙，形成一个巨大的玻色子集合体，从而产生了超导态。
二、超导体的分类1. 球差密度超导体球差密度超导体是一类超导材料，它在2个向上转化的温度（Tc）之间存在稳定的球差密度超导态，由于在球差超导态时电声耦合强烈，其超导理论的能隙值和临界温度都明显大于BCS理论。
2. 结构输运性质球差密度超导材料是一种高临界温度超导材料，其在常温下即可显示出超导性质，因此具有极大的应用价值。
3. 高温超导高温超导是指临界温度高于液氮温度（77K）的超导材料。
目前已经发现的高温超导材料包括铜氧化物和铁基超导体等，这些材料相较于常规超导材料具有更高的临界温度和更好的工程可塑性。
4. 氧化物超导体氧化物超导体是一类以氧化物为基础的超导材料，它通常是由一种或多种金属氧化物组成，如铜氧化物、钌钛酸盐等。
氧化物超导体具有高临界温度、高临界电流密度和良好的热稳定性等优点。
5. 铁基超导铁基超导是一类基于铁基化合物的超导材料，它具有高临界温度、高临界磁场、优良的输运性质和热稳定性等优点。
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2013/5/6
零电阻现象
物质在低温下会出现什么现象？ 1911年卡末林.昂尼斯发现，在
4.2ºK下，Hg电阻突然消失 4.2ºK下，汞电阻比从1/500下降到
内部 应有 磁场
2013/5/6
结论：
理想导体内部是否存在磁力 线以及如何分布与降温及加 外磁场的先后顺序有关，即 与它们的历史经历有关。
2013/5/6
实际的超导体是否就是理想导体呢？
1933年由Meissner和Oshsenfeld对围绕球形导体 （单晶锡）进行了测量
只要T<Tc，在超导体内部B不仅恒定不变，而且恒定 为零，即B=0
Bi t
Ei
0
由理想导体的性质可以推想超导体应具有以 下特点：
B应由初始条件（或实验过程）决定，理想导体中不可 能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也 不能增加。（对否？）
2013/5/6
设想比较两个实验
实验一：金属球经历下图过程
理想导体
磁通不变， 内无磁场
实验二：改变次序
直流Josephson效应
在两超导体之间夹有10－3——10－4m的绝缘
薄层（隧道结，也叫Josephson结），则即使 绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍然可以持 续地流过直流超导电流
交流Josephson效应
如果在绝缘层两侧的超导膜上加交流电压，则 在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波
自 1911 年 卡 末 林 . 昂 尼 斯 （ Kamer lingh Onnes）首次发现超导电现象起直至今日， 超导电性问题引起了人们极大的兴趣，一 门新兴的物理学科——超导物理学由此诞 生。90年多来，该领域的研究获得了一次 又一次的重大进展，有多项研究成果获诺 贝尔物理学奖。超导发展大致经历了以下 三个阶段：
<10-6，这个下降是突然的 莱登实验室估计，1.5ºK下，汞电
阻比<10-9 昂尼斯指出：在4.2ºK以下，汞进
入了一个新的物态，在这新物态 中汞的电阻实际上为零 现代超导重力仪的观测表明，超 导态即使有电阻也必定小于10-28 ， 远远小于正常金属迄今所能达到 的最低电阻率 —— 零电阻现象。 纵坐标为电阻比，横坐标为温度
第十九讲
讲座二：超导体电磁性质 对应录像37、38
说明：录像38中电流部分在下 一讲PPt文件中
2013/5/6
讲座 超导体的电磁性质 ——超导现象及其实验事实
➢零电阻现象 ➢完全抗磁性——迈斯纳效应 ➢临界磁场和临界电流 ➢同位素效应 ➢约瑟夫森效应 ➢各种超导材料简介
2013/5/6
超导现象的发现和研究
同位素的质量相关
不总是-1/2
水银 Tc M 1 2 Tc M
同位素原子量越小，Tc越高
其它超导 元素
作用：为探明超导转变的微观机制提
供了一条重要的线索。
为什么这么说？
2013/5/6
同位素效应暗示了什么？
金属是由晶格粒子(原子实)与共有化的电子组成， 在它们之间概括讲有三大类相互作用
但是在外磁场的影响下，超导体表面层会出现某种 面分布的传导电流——屏蔽电流
传导电流的屏蔽作用使超导体内部的合磁场为零， 导致完全抗磁性，实验证实屏蔽电流存在。
上述两种观点都指出：超导体表面有面电流，完全 抗磁性起源于这种面电流，实际上第一种解释是一 种有用的形式模型，由于超导体的零电阻效应，不 论是磁化电流还是传导电流，均无焦耳热损耗，所 以两种观点是完全等价的
结论与降温及加外磁场的先后顺序无关，即与它们的 历史经历无关。
磁力线似乎一下子被推斥到超导体外。
对超导体，上述第二个实验应为如下结果
超导体不
仅仅是理
想导体，
还具有完
全抗磁性
2013/5/6
结论：
超导体不仅仅是电阻为零的理想导体 理想导体：所经历的过程不同，磁化状态不同 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关
2013/5/6
现象：在锡盘上放置一条永久磁铁，磁悬浮 当温度低于锡的转变温度时，小磁 实验
铁会离开锡盘飘然升起，升至一定 距离后，便悬空不动了
解释：由于磁铁的磁力线不 能穿过超导体．在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁 之间产生了排斥力，磁体越 远离锡盘，斥力越小，当斥 力减弱到与磁铁的重力相平 衡时，就悬浮不动了。
T>TC或B>BC，介质处于正常态，磁场会穿透介质 T<TC或B<BC，呈超导态，磁场被完全排出介质 超导体内永远B=0——完全抗磁性
迈斯纳效应是独立于零电阻效应的另一种基本 性质。
迈斯纳效应实际上成为判断真伪超导的依据
2013/5/6
超导体的完全抗磁性的第一种解释
把超导体当作磁介质，它具有特殊磁性
2013/5/6
人类对超导电性的基本探索和认 识阶段 1911年——1957年
昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研 究而获1913年诺贝尔物理学奖
超导微观理论——BCS 理论（ 1957年）
巴丁（J.Bardeen） 库柏(L.N.Cooper) 施瑞弗（J.R.Schrieffer） 获1972年诺贝尔物理学奖
电—声子作用是超导电性的根源
Tc M M Tc 0
原子质量无穷大，晶格粒子不可能运动，它不会 振动，便无超导特性．这给我们以启示
超导特性与原子晶格的振动及形变有关 同位素效应明确告诉我们，电—声子作用是超导
电性的根源 同位素效应是微观理论第一次成功地预言了超导
效应，对电—声子作用的深人探索产生了著名的 BCS理论．
2013/5/6
完全抗磁性——迈斯纳效应
1933年由Meissner和Oshsenfeld发现，超导体一 旦进入超导态，体内磁通量将全部被排除出体外。 磁感应强度恒等于零——迈斯纳效应。
在超导体发现后的20多年中，人们一直把超导体 的磁性归结为超导体的完全导电性的结果，即把 超导体看成仅仅是电阻为零的理想导体
迈斯纳效应展示了超导体与理想导体完全不同的 磁性质，使人们对超导体有了全新的认识——迈 斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本 性质
2013/5/6
理想导体和超导体的区别
理想导体 0 j E Ei＝0
理想导体内不可能存在电场
理想导体内也不可能存在随 时间变化的磁场
又 E B t
两个超导Josephson结构成一个SQUID
2013/5/6
各种超导材料简介
迄今为止，已发现 28种金属元素（在 地球的常态下）以 及合金和化合物具 有超导电性，还有 一些元素只在高压 下才具有超导电性
表12-1给出了一些 典型的超导材料的 临阻值界）温，度图Tc（12零-22电 给出了超导临界温 度Tc（起始值）提 高的历史
2013/5/6
各种名词
超导态：显示出超导电性质的物质状态 超导体：具有上述超导特性的物体 超导转变温度（临界温度）：
物质在低温下，其电阻突然转变为零的温度，用TC表 示，TC也叫转变温度。温度高于TC，超导体和一般金 属一样有电阻，称为正常态
实验发现除了汞外有几十种元素、数千种合金和 化合物都具有超导性。但在超导体发现以后的漫 长时期内，所发现的超导材料的临界温度都比较 低，分布在23.2K——0.02K之间
BC
B0
1
T TC
2
IC
I0
1
T TC
2
图中，曲线把B-T平面划分为 两个区域，正常态和超导态， 从超导态到正常态的变化可以 通过改变温度来实现，也可通 过改变磁场来实现。在曲线上， 发生从正常态到超导态的可逆 变化。
2013/5/6
同位素效应
1950年科学家在用水银的不同的同位素作 实验时发现了同位素效应，即临界温度与
常 量
2eV 精确测定 、V e /
反之， e / 通过圆频率的测量来确定电
压,可以用Josephson结做标准电阻
Josephson效应是库柏对体系在宏观尺度 上表现出来的与相位有直接关系的量子 干涉效应（在A-B效应中讲过）
2013/5/6
SQUID（Superconducting Quantum Interference Device）
2013/5/6
人类对超导技术应用的准备阶段
1958年——1986年
在本世纪60年代达到高峰 ，主要有四大方面发展
实用超导材料的发展； 超导电子器件的发展； 大量技术应用的实验室初探； 千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料
1962年约瑟夫森（Josephson）发现的超导电子 对隧道效应——约瑟夫森效应使他与江崎玲於内 （ Leo Esaki ） 贾 埃 沃 （ Ivar.Giaever ） 分 享 了 1973年的诺贝尔物理学奖 ——超导电子学（超导 量子电子学）兴起
2013/5/6
实验表明
每一种处在超导态的导 体材料，当其中的电流 超过某一临界值或超导 体所在处的磁场的磁感 应强度超过某一临界值 时，超导性都会破坏
超导态 临界值 正常态
TC
IC
BC
临界温度 临界电流 临界磁场
三个临界值 之间有一定 关系
2013/5/6
临界磁场与温度的关系
是T=0 K时的 临界磁场
交变超导电流的振荡频率可表为 2eV
2013/5/6
Josephson效应属于超导电子隧道效应
量 子 效 应
隧道效应是微观粒子所特有的，而大量 微观粒子组成的宏观物体一般不具有量 子化现象和隧道效应。超导体是宏观物 体——宏观量子效应
2013/5/6
重要应用
交流Josephson效应的频率关系