超导电基本现象和基本规律

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
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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
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不排除那些非超导元素, 随着低温技术的发展, 在更低 的温度下会发生超导转变的可能性。超导元素中临界
温度最高的是铌(9.2K), 最低的是铑(0.0002K)
钠、钾、铜、银、金等一价金属及铬、锰、 铁、钴、镍等磁性元素都不是超导元素
有 13 个元素在常压下未发现超导电性, 但在高压下 呈现超导电性
一、磁场内的相转变
在发现超导现象后几年就发现了 强的磁场可以破坏超导状态
对于一般形状的物体, 由于物体本身的磁矩, 实际的磁 场是不均匀的, 磁场破坏超导体的过程具有复杂性质
锗、硅等典型半导体在常压下不是超导体, 但在低温、 高压下, 它们由半导体转化成金属, 并且具有超导电 性, 在大约 12GPa下, 测得锗的临界温度为 5.4K, 硅为 7.1K, 某些元素在高超压导电下基本存现象在和基若本规干律 不同的超导相
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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
高温超导体家族的新成员——铁基超导体
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二、迈斯纳效应
零电阻是超导体的一个基本特性，超导体的另 一个基本特性是完全抗磁性，即迈斯纳效应
由于超导态的零电阻, 在超导态的物体内部不可能存 在电场; 因此, 根据电磁感应定律, 磁通量不可能改 变。施加外磁场时, 磁通量将不能进入超导体内, 这 种磁性是零电阻的效果
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, 样品本身被浸在液态氦中。当 时发现 Hg 的电超阻导电在基本4现.象2和K基本左规律右陡然下降
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 的窄 小范围内。在这个转超导变电基温本现度象和以基本下规律, 电阻完全消失
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1933 年迈斯纳等为了判断超导态的磁性是否完全由零 电阻所决定, 进行了一项实验, 实验的结果揭示了超导 态的另一项最基本的特征
实验是把一个圆柱形样品在垂直轴的 磁场中冷却到超导态，并以小的检验
线圈检查样品四周的磁场分布
结果证明, 经过转变, 磁场分布发生变化, 磁通量完全
具有超导电性的合金和化合物种类很多, 目前在技术上有重要实用价值的超导材 料大都属于超导合金或化合物
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, 1987 年获得了能在液氮温 度下实现超导电性的钇－钡－铜－氧超导材料
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铜氧高温超导体的发现
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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）
H ' M 3
加上外场, 得到球内磁场强度
根据完全抗磁性
H H0 M 3
超M 导电基本现H象和基本H 规律0M 3
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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
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Meissner 效应
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§10-2 超导转变和热力学
被排斥于圆柱体之外, 并且撤去外磁场后, 磁场完全
消失
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在以后几年中, 不同的人以柱形以及球形样品做了更 精确的实验和分析, 完全肯定了在磁场中发生超导转 变时, 磁通量完全被排斥于体外的结果
这个重要的效应说明，超导态具有特有的磁性， 并不能简单由零电阻导出
如果超导体仅仅意味着零电阻, 只要求体内的磁 通量不变, 那么在上述试验中, 转变温度以上原来 存在于体内的磁通量仍然存在于体内不会被排出, 当撤去外磁场时, 则为了保持体内通量将会引起 永久感生电流, 在超体导电外基本产现象生和基相本规应律 的磁场
第十章 超导电的基本现象 和基本规律
由于超导体的一系列异乎寻常的性质, 是物理学基本理论研究课题之一, 在推 动低温物理学的发展中起了重要作用
超导电基本现象和基本规律
超导电基本现象和基本规律
§10-1 超导体的基本电磁学性质
一、零电阻
1911 年 Onnes 研究在极低温下各种金属电阻变 化时, 首先在 Hg 中发现了超导电现象
另外一类检验发生转变后的电阻的实验, 是利用 环状的样品, 使样品发生上述转变, 然后撤去磁 场, 这时在环内产生感生电流
如果样品仍存在电阻, 感生电流将会不断衰 减, 用这种方法可以十分精确地检验电阻
Onnes 最初以铅做实验, 用磁针在低温容器之外检 验感生电流, 结果在几小时之内, 完全不能发现任 何变化。温度提高到转变温度以上, 电流立即消失