3.3 超导材料解析

E
正常态
超导态
2. 完全抗磁性(迈斯纳效应) 迈斯纳效应
当超导体冷却到临界温度以下 而转变为超导态后，只要周围 的外加磁场没有强到破坏超导 性的程度，超导体就会把穿透 到体内的磁力线完全排斥出体 外，在超导体内永远保持磁感 应强度为零。超导体的这种特 殊性质被称为“迈斯纳效应”。
迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一 个具有完全抗磁性的抗磁体
根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承 、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。
3. 超导态的临界参数
临界温度（TC） 超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC） 通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保 持超导体的超导性。 临界磁场（HC） 施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导 体的超导性。
巴丁、库珀和施里弗因为提出 超导电性的BCS理论而获得 1972年的诺贝尔物理学奖
BCS理论：——适用于金属晶体
金属晶体是有周期型排列的金属正离子和可以自由移动 的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子 核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时T<Tc， 电子不再单独一个一个存在，带负电的电子吸引原子核 向它靠拢，那么在电子周围形成局域正电势密集区，吸 引第二个自旋相反的电子。这个电子和原来的电子以一 定的结合能相结合配对，成为库柏电子对。两个电子自 旋方向相反，动量大小相等，方向相反，总能量为零。 库柏电子对的能量低于两个单独电子的能量。
高温超导体YBCO的电阻-温度曲线
超导体完全导电性的解释机理—BCS理论
该理论以其发明者 巴丁（Bardeen） 库珀（Cooper） 施里弗（Schrieffer） 的名字首字母命名。 超导现象于1911年发现，但直 到1957年，美国科学家巴丁、 库珀和施里弗在《物理学评论 》提出BCS理论，其微观机理 才得到一个令人满意的解释。
1957年，BCS理论被提出
1969年，超导纤维研制成功 1973年—— Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。
金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xO3。
1975年——500Km/h的磁悬浮列车研制成功。 1986年——Muller(缪勒)和Bednorz(柏诺兹)发现高温超体。
观察迈纳斯效应的磁悬浮试验
现象：在锡盘上放一条永久磁铁， 当温度低于锡的转变温度时，小磁 铁会离开锡盘飘然升起，升至一定 距离后，便悬空不动了。 原因：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。
实际上磁场强度 B 有一穿透深度
B B0 e

x

:
穿透深度
电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个 性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。
迈斯纳效应产生的原因:
当超导体处于超导态时，在磁场 作用下，表面产生一个无损耗感 应电流。这个电流产生的磁场恰 恰与外加磁场大小相等、方向相 反，因而总合成磁场为零。换句 话说，这个无损耗感应电流对外 加磁场起着屏蔽作用，因此称它 为抗磁性屏蔽电流。
临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约 束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满 足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。 （由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）
H
Hc
正常态
V
失 超
பைடு நூலகம்超导态
Tc
T
Ic(V)
I
临界电流：即当每厘米样品长度上 出现电压为1V时所输送的电流
上这种吸引作用并不强。一个库柏对的尺寸约为104cm左右，这个尺寸相当于晶格常数的10万倍。由此可 见，一个库柏对在空间延展的范围是很大的，在这空 间范围内存在着许多个库柏对互相重叠交叉的分布。 库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子， 不像两个正常电子那样，完全互不相关的独立运动， 而是存在着一种关联性。
库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子 在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的 动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不 能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻 为零的超导形式。
BCS理论针对金属的超导，无法成功的解释高温超导的现象
• 相干长度：是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际
1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。
1988~至今——高温超导迅猛发展，Tc不断升高。
一些超导材料 的临界温度
3.3.2 超导材料的基本性质与理论基础
1：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻
率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低 温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没 有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。
超导现象的发现：
1911 年，荷兰科学家昂纳斯 在研究极低温度下金属导电性时 发现，当温度降到4.2K时，汞的 电阻率突然降低到接近于零。这 种现象称为汞的超导现象。
昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖
超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。
Tc、Hc、Jc
任一条件变化都会从超导态变成正常态
3.3.3 超导体分类




元素超导体 合金超导体 金属间化合物超导体 陶瓷超导体 高分子超导体
1. 元素超导体
目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种 （如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下 或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如 右图元素周期表中绿色方框所示）。
3.3.1超导研究历史
1911年——Onnes发现Hg，现已有5000种。 1911～1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。
1933年——迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。
1933—1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物的超导现象。 1953 ～ 1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等