超导体的电磁性质

浅谈超导体及其应用前景

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09物理

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2011年11月

09物理

浅谈超导体及其应用前景

摘要：某些元素、合金、化合物或其他材料，当温度下降到某临界温度T c以下，会出现零电阻的现象，我们称这种现象为超导现象,而这些材料则被称为超导体。超导体具有零电阻效应、完全抗磁性效应、二级相变效应、单电子隧道效应、约瑟夫森效应等几大特性。本文研究的超导磁悬浮正是利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。而影响其磁浮力的因素有很多，如温度、永磁体磁场强度、超导体与永磁体间距离等。

本文旨在通过实验探究超导材料与永磁体间距离对磁浮力的影响及磁浮力的变化规律。

关键词：超导、零电阻、完全抗磁性、麦斯纳效应、临界电流和磁场、超导磁悬浮

一、超导体及其性质

1.1、什么是超导体及其发现：些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度T c以下，会出现零电阻的现象，我们某称这些材料为超导体。另外，强磁场能破坏超导状态。每一种超导材料除了有一定的临界温度T c外，还有一个临界磁场强度H c，当外界磁场超过H c时，即使用低于T c的温度也不可能获得超导态。

在1911年，荷兰Leiden大学学者Kamerlingh Onnes（卡末林·昂尼斯）发现了超导体。早在1908年，Leiden实验室就掌握了He（氦）气的液化技术，He在一个大气压下液化时，温度为4.2K，Onnes将这一低温技术成果用来研究Hg（水银）导线的电阻随温度变化的规律。他测得样品在温度为4.2K时，电阻骤降为零。[3]当时，所有的理论都无法圆满地解释金属导体这种非零温下的零电阻效应。几乎经历了半个世纪，这个谜才得到解答。

1.2、超导体的主要特性：

超导现象有许多特性，其中最主要的有五个，即零电阻效应，完全抗磁性效应（Meissner 效应），二级相变效应，单电子隧道效应，约瑟夫森（Josephson ）效应。

1.2.1零电阻效应：

零电阻是超导体的一个最基本

的特性。图1-1是金属电阻与温度

的关系曲线，在T >T c 时，R 与T 成

直线关系。当温度降低时，这种线

性关系会失去，从而出现偏离线性

的情况。[2]当T 达到临界温度T c 时，

电阻R 突然变为零。由经典理论可

知，金属中的电阻是由晶格热振动

对自由电子定向漂移的散射所引起的。金属原子容易失去其外层电子而变成带正电的离子，这些离子在金属中有规则地呈周期性排列，形成晶格。在晶格中，正离子只能在平衡位置附近作热振动。当自由电子在外电场作用下进行定向运动时，自由电子各向同性的热运动与沿电场力方向的定向运动就叠加在一起，称为定向漂移。定向漂移的电子将和作热振动的正离子发生碰撞。碰撞中，产生两个结果：一是自由电子在碰撞时把定向漂移的能量传给正离子，使正离子的热振动加剧；二是自由电子在碰撞中，

'A ''B 'B 图1-2 碰撞改变球的运动方向 A B A B 图1-3 球A 将它全部的动能交给球B

变了原运动方向，被称为散射。我们可以用日常观察到的碰撞来说明这种散射及能量交换效果。[4]当你观察台球运动时，常会看到图1-2所示的情况：球A 与球B 碰撞后，改变了自己原来的运动方向。如果A 、B 两球的质量相等，且B 球开始静止不动，则当A 与B 正碰时，球A 将变为静止，球B 则以A 球的入射速度前进，如图1-3所示，球A 将自己的运动能全部交给了球B 。

1.2.2完全抗磁性效应（Meissner 效应）：

1933年，德国学者Meissner （迈斯纳）和Ochsenfeld （奥奇森菲尔德）观察到，磁场中的锡样品冷却为超导体时，能排斥磁场进入样品内部，这一现象称为完全抗磁性效应或Meissner 效应。[5]迈斯纳效应是超导体的根本特性。早期曾有人认为超导体是一种导电率σ等于无穷大的导体，即用纯电学的观点去看超导体。实际上，这种观点认为超导体与普通导体没有本质区别，其不同之处仅仅在于电导率的大小存在着差异而已，实验证明这种想法是不正确的。电学中有一个欧姆定律，它反映了电压U ，电流I 和电阻R 之间的关系：U =IR 。如果用场的观点来表示，则欧姆定律有一定微分形式

E j σ= (1-1)

其中，j 是电流密度矢量，E 是电场强度，σ是电导率。此外，由电磁学的麦克斯韦方程

t

B E ∂-=⨯∇ ∂ (1-2) 可知，若将超导看成是∞→σ的导体，超导体中的磁场B 应满足方程

0∞

→→⨯∇-=⨯-∇=σσ∂∂j E t B (1-3) 上式表明，超导体内的磁场B 与时间t 无关，或B 不随时间改变，而完全由初始条件决定。[4]即超导体内，如果t =0时，有磁场B ，则以后磁场B 的大小和方向皆不改变；如果t =0时，超导体内无磁场，则以后恒无磁场。根据以上的结论，我们可以设计两个实验，如图1-6所示，如果认为超导体是σ→∞的普通导体，则应出现图1-6（a ）的结果，即超导体内有无磁场，完全取决于初始条件，先冷却，后加磁场则超导体内无磁场；先加磁场，后冷却则超导体内有磁场。但实

1-6(b)所示的情

况。

1-6(a)σ→∞，导体内磁场与过程有关图1-6(b) 超导体抗磁性与过程无关

无论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内部最终均无磁场。超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的特性，如图所示:

依据超导体的零电阻和迈斯纳效应，可以把超导体分成两类，即第I类超导体和第II类超导体。零电阻和迈斯纳效应同时出现的超导体，只具有一个临界磁场，称之为第I类超导体，见图1-8（I）；具有两个临界磁场的超导体，其体内能出现超导相和正常相的界面，我们称它为第II类超导体，见图1-8（II）和图1-9。

图1-8 I类超导体图1-8 II类超导体

1.2.3二级相变效应

1932年，荷兰学者Keesom和Kok发现，在超导转变的临界温度T c处，比热出现了突