超导的原理与应用

超导材料的基本磁性特点

1. 超导材料

1.1超导材料的发现及简介

1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯

（Kamerlingh Onnes）的指导下，经过长期的努

力，首次将氨液化，获得了4.2K的低温。随后

在1911年，他在研究水银的低温电阻随温度的

变化时发现水银的电阻R在4.2K附近突然降

到了零。如图1-1所示。昂纳斯把这种电阻突

然消失的状态称之为超导态。此后，他们又发

现其他许多金属也具有超导现象，他们把这种

能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材

料，也叫做超导体。

很多物质都是超导材料。在元素周期表

中，常压下具有超导电性的就有26个，如：Pb、In、Sn、Al、N b、V、Ta等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：Ge、Si等（见附表1-1）。

表1.1-1超导合金和超导化合物的转变温度

除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。超导合金以PbIn、NbTi为代表，超导化合物以

N b Sn、3V G a为代表。

3

他们的Tc见表 1.1-1。迄今为止，具有超导性的元素、化合物以有数千种。特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使超导体的类属增加了成千上万个，表1.1-2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其Tc。

表1.1-2 高温氧化物超导体的超导转变温度

2. 超导材料的基本磁性特点

2.1临界磁场

现以一圆柱形（长度比直径大的多，可近似的看为无限长）超导体为例。降低温度到Tc以下，再加一与圆柱体平行的外磁场。实验表明，在低于样品Tc的任一确定温度下，当外加磁场强度H小于某一确定数值Hc时，超导体具有零电阻。当H大于Hc时，电阻突然出现超导态被破坏而转变为正常态。我们称Hc为超导体的临界磁场。临界磁场是温度的函数，记为()

Hc T。

临界磁场是标志一超导体性质的重要物理量，不同超导体的Hc-T曲线都可近似的用下列公式表示

2

=-(2.1-1)

H c T H c T T c

()(0)[1(/)]

其中(0)

H c是T= 0K时超导体的临界磁场（通常记为H0）。从式（2.1-1）可看出，若已知

H及Tc两参量，就可求出在其他温度（T

T/Tc, h = Hc/0H,于是（2.1-1）式可以写为

2

=-（2.1-2）1

h t

由于超导态是一种物相，而正常态是另一种物

相，Hc -T 的分界图就是超导体的一种像图，如图2-1所示。在图中，阴影区域的任一点P 代表的H 、T 下的物质处于超导态，在非阴影区域的则为正常态。如图P 点箭头所示的，在一定温度下，增大磁场可使超导体从超导态进入正常态；在一定磁场强度下，提高温度也可

使之进入正常态。也可以像图中斜箭头那样，同时改变温度和磁场强度，使之由超导态变为正常态。

需要指出的是，I 类超导体只有一个临界磁场c H ，而II 类超导体除了c H 外，还有第一临界磁场1c H ，第二临界磁场2c H 。

2.2 迈斯纳（Meissner ）效应

1933年，迈斯纳发现超导体的另一个重要电磁性质：超导体内部的磁感应强度为零，

即0B =

，与超导体所经过的历史无关。

超导体的迈斯纳效应是独立于零电阻性的重要特性，它表示超导体不能简单的看作通

常导体当电导率0σ→时的极限。因为通常导体有欧姆定律J E σ= ,当σ→∞而J

为有限时，0E →

，由麦克斯韦方程

→⨯-∇=∂∂E t

B

（2.2-1）

因而一般导致B

为一与时间无关的量，但却不能导出B

被排出超导体外的结论。

现在用图像来说明。图2.2从（a ）到（b ）表示在无外加磁场的情况下，经冷却使样品变为完全导体。（c ）的温度与（b ）相同，但加上了外磁场。由于在完全导体中磁感应通量不可能改变，所以这时完全导体内仍然如情况（b ）一样没有磁通分布，磁通线绕样品周围而过。情况（d ）是把外加磁场撤掉了，此时完全导体中还是没有磁场。另一个例子如图2.3所示，其中（a ）到（b ）表示对正常导体加了外磁场，磁通线穿过正常导体内

部。（c ）表示经降温后该样品已转为完全导体。由于完全导体的磁性质，内部的磁通分布未变。图2.3（d ）是去掉外磁场后的情况。尽管外磁通线没有了，但由于完全导体表面感生的无阻电流，完全导体还保持着穿过其体内的磁通线。值得注意的是，以图2.2（d ）和图2.3（d ）相比，它们处于同样的温度和磁场下，但样品的磁化状态不同，图2.2（c ）和图2.3（c ）也是如此。由此可见，在给定条件（如温度和外磁场）下，完全导体的状态并不是唯一的，而是与其历史（途径）有关。

图2.2 完全导体的磁化性质 1

图2.3 完全导体的磁化性质 2

完全导体的上述磁性质必然产生滞后效应。图2. 4表示一长圆柱体完全导体的磁化情

况。图中A 点表示零磁场下0B =

的完全导体。当沿圆柱体轴线加一均匀外磁场，并使外

加磁场强度H 等于临界磁场（图中B 点）时，样品电阻恢复了，这时样品的表面电流衰

减以至消失。此后样品成为正常导体，其体内磁感应强度B

=0μ

H

(01μ≈)，如图中CE

线所示。当外加磁场再减小到Hc 时，样品又失去电阻，变为完全导体。此时，完全导体