简介超导体

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，磁化状态不同 理想导体：所经历的过程不同， • 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关 超导体：
– 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
人类对超导电性的基本探索和认 年 年 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 究而获 年诺贝尔物理学奖 • 超导微观理论 超导微观理论——BCS 理论（ 1957年） 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
发现了高温铜氧化物超导体，揭开了人类 发现了高温铜氧化物超导体， 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（Bednorz）和缪勒（Muller）因此 贝德诺兹（ ）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” 和“高温超导 人们公认“室温超导电材料” 理论” 理论”是诺贝尔奖级的问题
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：显示出超导电性质的物质状态 超导态： • 超导体：具有上述超导特性的物体 超导体： • 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，用TC表 物质在低温下，其电阻突然转变为零的温度， 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
• 现象：在锡盘上放置一条永久磁铁， 磁悬浮 现象：在锡盘上放置一条永久磁铁， 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。
• 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
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
设想比较两个实验
• 实验一：金属球经历下图过程 实验一：
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， 外磁场的先后顺序有关，即 与它们的历史经历有关。 与它们的历史经历有关。
• 1962年约瑟夫森（Josephson）发现的超导电子对 年约瑟夫森（ 年约瑟夫森 ） 隧道效应—— 约瑟夫森效应使他与江崎玲於内 隧道效应 （ 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
• 理想导体
理想导体和超导体的区别 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ r
ρ =0 σ →∞
j = σE ⇒ Ei＝0
∂B 又Q∇ × 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？）
• 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，它具有特殊磁性 把超导体当作磁介质，
r r r r r B = µ0 H + µ0 M , M = χ m H
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-192ºC——81.15ºK； – 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， 253ºC——20.15ºK – 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-268ºC—4.25ºK 液化的实验，液化点 – 此后 ， 莱登实验室利用减压降温法获得了 此后， 4.25º K—1.15ºK的低温 的低温
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 4.2ºK下，Hg电阻突然消失 下 电阻突然消失 • 4.2ºK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 ， 1.5ºK下 ， 汞电 莱登实验室估计， 下 阻比<10-9 阻比 • 昂尼斯指出 ： 在 4.2ºK以下 ， 汞进 昂尼斯指出： 以下， 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 ， 超 现代超导重力仪的观测表明， 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。
完全抗磁性
r r r 超导体内，B = 0 , 则M = − H , χ m = −1
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、根本不存在磁 把超导体看成是一种完全没有磁性、 化的物体即认为超导体的 M=0或µr=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
临界磁场和临界电流
• 超导体的零电阻特性，使人自然想到可以实 超导体的零电阻特性， 现以下几点
–超导回路中的电流持续，即在超导回路中一旦形 超导回路中的电流持续， 超导回路中的电流持续 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 利用超导体制成的线圈来产生非常强的磁场
• 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 多年中，人们一直把超导体 在超导体发现后的20多年中 多年中， 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与理想导体完全不同的 迈斯纳效应展示了超导体 理想导体完全不同的 超导体与 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
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 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， 为零， 为零，即B=0 – 结论与降温及加外磁场的先后顺序无关，即与它们的 结论与降温及加外磁场的先后顺序无关， 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，上述第二个实验应为如下结果 对超导体， 超导体不 仅仅是理 想导体， 想导体， 还具有完 全抗磁性
同学们好！
第八讲： 第八讲： 神奇的超导体
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：
• 实验发现除了汞外有几十种元素、数千种合金和 实验发现除了汞外有几十种元素、 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
人类对超导技术应用的准备阶段
1958年——1986年 年 年
• 在本世纪 年代达到高峰 ，主要有四大方面发展 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； 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
BC IC 临界温度 临界电流 临界磁场
TC
是T=0 K时的 时的 临界磁场与温度的关系 临界磁场 2 2 T T BC = B0 1 − I C = I 0 1 − T T C C 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。