超导论

结论: 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, 理想导体:所经历的过程不同,磁化状态不同 超导体: 超导体:磁场中的行为与加磁场的次序无关
T>TC或B>BC,介质处于正常态,磁场会穿透介质 介质处于正常态, T<TC或B<BC,呈超导态,磁场被完全排出介质 呈超导态, 超导体内永远B=0——完全抗磁性 超导体内永远 完全抗磁性
人类对超导技术应用的准备阶段
1958年——1986年 年 年
在本世纪60年代达到高峰 主要有四大方面发展 在本世纪 年代达到高峰 ,主要有四大方面发展
实用超导材料的发展; 实用超导材料的发展; 超导电子器件的发展; 超导电子器件的发展; 大量技术应用的实验室初探; 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 年约瑟夫森( 年约瑟夫森 ) 对隧道效应——约瑟夫森效应使他与江崎玲於内 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 超导电子学( 年的诺贝尔物理学奖 超导电子学 量子电子学) 量子电子学)兴起
设想比较两个实验
实验一: 实验一:金属球经历下图过程
理想导体
磁通不变, 磁通不变, 内无磁场
内 部 应 有 磁场
实验二: 实验二:改变次序
结论: 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 外磁场的先后顺序有关, 与它们的历史经历有关. 与它们的历史经历有关.
实验表明
每一种处在超导态的导 体材料, 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 三个临界值 之间有一定 关系
BC IC 临界温度 临界电流 临界磁场
TC
临界磁场与温度的关系
T BC = B0 1 T C
发现了高温铜氧化物超导体, 发现了高温铜氧化物超导体,揭开了人类 对超导技术的开发的序幕 1985年—— 年
已故超导材料权威Matthias曾讲过:"如能 已故超导材料权威 曾讲过: 曾讲过 在常温下,例如300 K左右实现超导电性,则 左右实现超导电性, 在常温下,例如 左右实现超导电性 现代文明的一切技术都将发生变化. 现代文明的一切技术都将发生变化." 贝德诺兹( 贝德诺兹(Bednorz)和缪勒(Muller)因此 )和缪勒( ) 获得了1987年的诺贝尔物理学奖. 年的诺贝尔物理学奖. 获得了 年的诺贝尔物理学奖 人们公认"室温超导电材料" 人们公认 "室温超导电材料" 和"高温超导 理论" 理论"是诺贝尔奖级的问题
由于内部, ≠ , 由于内部,M≠0,超导体 表面有磁化电流, 表面有磁化电流, 磁化电流产生的磁场与外 磁场相抵消, 磁场相抵消,内部没有磁 场
超导体的完全抗磁性的第二种解释
把超导体看成是一种完全没有磁性, 把超导体看成是一种完全没有磁性,根本不存在磁 化的物体即认为超导体的 M=0或r=1 化的物体即认为超导体的 或 但是在外磁场的影响下,超导体表面层会出现某种 但是在外磁场的影响下, 面分布的传导电流——屏蔽电流 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, 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. 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 上述两种观点都指出:超导体表面有面电流, 抗磁性起源于这种面电流, 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, 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, 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
实际的超导体是否就是理想导体呢 实际的超导体是否就是理想导体呢? 超导体是否就是理想导体
1933年由 年由Meissner和Oshsenfeld对围绕球形导体 年由 和 对围绕球形导体 单晶锡) (单晶锡)进行了测量
只要T<Tc , 在超导体内部 不仅恒定不变 , 而且 恒定 在超导体内部B不仅恒定不变 而且恒定 不仅恒定不变, 只要 为零, 为零,即B=0 结论与降温及加外磁场的先后顺序无关, 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. 历史经历无关. 磁力线似乎一下子被推斥到超导体外. 磁力线似乎一下子被推斥到超导体外. 对超导体, 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, 想导体, 还具有完 全抗磁性
1933年由 年由Meissner和Oshsenfeld发现,超导体一 发现, 年由 和 发现 旦进入超导态,体内磁通量将全部被排除出体外. 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. 迈斯纳效应. 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 多年中, 在超导体发现后的 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, 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 理想导体完全不同的 超导体与 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 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
零电阻现象
低温的实现是研究超导的基础
1895年 "永久气体"(空气)被液化,液化 年 永久气体" 空气)被液化, 点-192C——81.15K; ; 1895年 在大气中发现氦气; 年 在大气中发现氦气; 1898年 杜瓦( Dewar) 氢气液化,液化点 年 杜瓦( ) 氢气液化, 253C——20.15K 1908 年 , 由 卡 末 林 . 昂 尼 斯 ( Kamer lingh Onnes) 领导的荷兰莱登实验室完成了氦气 ) 液化的实验,液化点-268C—4.25K 液化的实验,液化点 此后, 此后 , 莱登实验室利用减压降温法获得了 4.25 K—1.15K的低温 的低温
理想导体和超导体的区别
理想导体
ρ =0 σ →∞
来自百度文库
j = σE Ei=0
B 又∵ × E = t
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
B i ∴ = × E i = 0 t
由理想导体的性质可以推想超导体应具有以 下特点: 下特点:
应由初始条件(或实验过程)决定, 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? 不能增加.(对否?)
零电阻现象
物质在低温下会出现什么现象? 物质在低温下会出现什么现象? 1911年卡末林 昂尼斯发现,在 年卡末林.昂尼斯发现 年卡末林 昂尼斯发现, 4.2K下,Hg电阻突然消失 下 电阻突然消失 4.2K下,汞电阻比从 下 汞电阻比从1/500下降到 下降到 <10-6,这个下降是突然的 莱登实验室估计, 莱登实验室估计 , 1.5K下 , 汞电 下 阻比<10-9 阻比 昂尼斯指出: 以下, 昂尼斯指出 : 在 4.2K以下 , 汞进 以下 入了一个新的物态, 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, 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 导态即使有电阻也必定小于 -28 , 远远小于正常金属迄今所能达到 零电阻现象. 的最低电阻率 —— 零电阻现象.
临界磁场和临界电流
超导体的零电阻特性, 超导体的零电阻特性,使人自然想到可以实 现以下几点
超导回路中的电流持续, 超导回路中的电流持续,即在超导回路中一旦形 成,便无需外电源就能持续几年仍观测不到衰减 利用超导体制成的导线传输非常大的电流 利用超导体制成的线圈来产生非常强的磁场
但1914年,昂尼斯发现,当超导体中电流太 1914年 昂尼斯发现, 大或将超导体置于太强的磁场中时, 大或将超导体置于太强的磁场中时,超导性 遭到破坏, 遭到破坏,即导体将从超导态回到正常态
2
是T=0 K时的 时的 临界磁场
T I C = I 0 1 T C
2
图中, 曲线把 图中 , 曲线把B-T平面划分为 平面划分为 两个区域,正常态和超导态, 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, 通过改变温度来实现 , 也可通 过改变磁场来实现.在曲线上, 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. 变化.
迈斯纳效应是独立于零电阻效应的另一种基本 迈斯纳效应是独立于零电阻效应的另一种基本 性质. 性质. 迈斯纳效应实际上成为判断真伪超导的依据
超导体的完全抗磁性的第一种解释
把超导体当作磁介质, 把超导体当作磁介质,它具有特殊磁性
B = 0 H + 0 M , M = χ m H
完全抗磁性
超导体内,B = 0 , 则M = H , χ m = 1
实验发现除了汞外有几十种元素, 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. 化合物都具有超导性.但在超导体发现以后的漫 长时期内, 长时期内,所发现的超导材料的临界温度都比较 分布在23.2K——0.02K之间 低,分布在 之间
完全抗磁性——迈斯纳效应 迈斯纳效应 完全抗磁性
人类对超导电性的基本探索和认 识阶段 1911年——1957年 年 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 究而获 年诺贝尔物理学奖 超导微观理论——BCS 理论( 1957年) 理论( 超导微观理论 年
巴丁( 巴丁(J.Bardeen) ) 库柏(L.N.Cooper) 库柏 施瑞弗( 施瑞弗(J.R.Schrieffer) ) 获1972年诺贝尔物理学奖 年诺贝尔物理学奖
现象:在锡盘上放置一条永久磁铁, 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, 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, 铁会离开锡盘飘然升起,升至一定 距离后, 距离后,便悬空不动了 解释: 解释 : 由于磁铁的磁力线不 能穿过超导体. 能穿过超导体 . 在锡盘感应 出持续电流的磁场, 出持续电流的磁场 , 与磁铁 之间产生了排斥力, 之间产生了排斥力 , 磁体越 远离锡盘,斥力越小, 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. 衡时,就悬浮不动了.
纵坐标为电阻比,横坐标为温度 横坐标为温度
各种名词
超导态: 超导态:显示出超导电性质的物质状态 超导体: 超导体:具有上述超导特性的物体 超导转变温度(临界温度) 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, 物质在低温下,其电阻突然转变为零的温度,用TC表 也叫转变温度.温度高于T 示,TC也叫转变温度.温度高于 C,超导体和一般金 属一样有电阻,称为正常态 属一样有电阻,称为正常态
讲座 超导体的电磁性质 ——超导现象及其实验事实 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 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
超导现象的发现和研究
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, )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, 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 门新兴的物理学科 超导物理学由此诞 年多来, 生 . 90年多来 , 该领域的研究获得了一次 年多来 又一次的重大进展, 有多项研究成果获诺 又一次的重大进展 , 贝尔物理学奖. 贝尔物理学奖 . 超导发展大致经历了以下 三个阶段: 三个阶段: