专题应用：超导材料(课堂PPT)
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约瑟夫森预言
1962年，剑桥大学的博 士后
在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体断面处，电 流可以穿过绝缘层。
只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生 电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。
超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保 持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约 瑟夫森效应。
1.4.5. 超导体的临界条件
实际超导材料的临界温度参数
起始转变温度Tc(onset) 转变温度宽度ΔTc 零电阻温度Tc(R=0) 中间临界温度Tc(mid)
超导材料的临界温度
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界磁场强度Hc
对于超导体，当外加磁场足够强时，会破 坏其超导性；
破坏超导态所需的最小的磁场强度称为 超导临界磁场强度。
对，库珀对中的两个电子动量与自旋均等 值相反，每一库珀对的动量之和为零。 在外电场作用下，所有这些库珀对都获得 相同的动量，朝同一方向运动，不会受到 晶格的任何阻碍，形成几乎没有电阻的超 导电流。
❖当T>Tc时，热运动使库珀对被拆散为正常
电子，超导态转变为正常态。
1.4.4. 产生超导电性的原因
➢声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形成电子对。 ➢两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动或杂质的 阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通路不受影响，从而 产生超导现象。
1.4.4. 产生超导电性的原因
温度对超导电性的影响：
温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合 愈牢固，超导电性越显著。
温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破 坏，就失去了超导性。
1.4.4. 产生超导电性的原因
BCS Theory (1957)解释了超导电性现象的本质 Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖
量子隧道效应：
电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当 然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。
例如：在两块常规导体Al中间夹入一层很薄的势垒 （10-10m的绝缘层），在两块Al之间加上电势差，就有电 流流过绝缘层，该电流是有电阻的，这是正常导体的量子 隧道效应。
1.4.3. 超导隧道效应
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界磁场强度Hc
临界磁场强度为温度的函数，表达式为：
Hc
H c 0 1
T2 Tc2
Hc Hc0
(T Tc )
0 Hc0为绝对零度时的临界磁场；
Tc
T
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界电流Jc
❖ 破坏超导态所需的最小电流密度; J=I/A,单位A/m2
❖ 超导临界电流与临界温度的关系：
1.4.2. 迈斯纳效应
➢ 零电阻现象是超导现象的必要条件，
但是电阻为零叫理想导体≠超导体。
➢ 零电阻现象和完全抗磁性是超导体两
个最基本，而且互相独立的属性。
➢ 只有同时具有零电阻和完全抗磁性才
能称为超导体。
1.4.2. 迈斯纳效应
北京有色金属研究总院研制的超导材料显示的迈斯纳效应
1.4.3. 超导隧道效应
1.4.4. 产生超导电性的原因
BCS理论：
当在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介 的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排斥从而导 致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对”。
BCS理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。
电子对概念
❖当温度T<Tc时，超导体内存在大量的库珀
1.4.2. 迈斯纳效应
迈斯纳效应的发现：
1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态
下，超导体内部的磁场强度H总为零，即
具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳 效应。
1.4.2. 迈斯纳效应
完全抗磁性的原因
North
North
常规导体
超导体
South
South
外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生的磁场 和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界参数之间的关系
Jc
❖三个性能指标，相互制约； ❖一般来说，指标越高越好。
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界温度Tcwenku.baidu.com
❖ 超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突 然变为零时的温度。
❖ 由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定 的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导 材料的临界温度用四个参数表征。
超导材料
福建农林大学材料科学与工程系
超导材料主要内容
1 2
零电阻现象 完全抗磁性－迈斯纳效应
3 产生超导电性的原因－BCS理论
4
超导临界条件
5 第一类和第二类超导体
6
超导材料的发展历史
7
超导材料的应用
本节需掌握的重点
1 超导体两个基本特征：零电阻效应和迈斯纳效应； 2 超导体零电阻和完全抗磁性的原因； 3 超导体的三个临界条件； 4 超导体的两种基本类型； 5 超导体的主要应用。
1.4.5. 超导体的临界条件
温度T<临界温度Tc
磁场强度H<临界磁场强度Hc 在温度低于Tc，外加磁场强度H>Hc的磁场作用 于超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破 坏而转入正常态。
电流密度J<临界电流密度Jc 同时,电流密度产生的磁场与外加磁场的 矢量和应小于临界磁场强度Hc。
注意区分： 电流强度I－单位时间通过某截面电荷的量； 电流密度J－单位面积上通过的电流强度；
J c J c 01 T 2/T c 2
1.4.6. 第I类和第II类超导体
第I类超导体只有一个临界 磁场Hc；
当H<Hc时，超导态； 当H>Hc时，正常态。
常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等; 熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”； 临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。
1.4.1. 零电阻现象
常规导体电阻的成因：
常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成 的晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子， 晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。
常规导体电阻的负面作用：
电力传输中电阻发热，浪费资源，增加用电成本；
1.4.1. 零电阻现象
超导零电阻现象的发现
1911年荷兰的卡茂林·昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导 线（-40℃），并将温度降低到－269℃左右时，水银导线的 电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。
1962年，剑桥大学的博 士后
在极薄绝缘层（厚度约为1nm）隔开的两个超导体断面处，电 流可以穿过绝缘层。
只要电流不超过某一临界值，则电流穿过绝缘层时将不产生 电压，该电流是没有电阻的，称为超导隧道电流。
超导隧道电流与库柏电子对相关，且电子对穿越势垒后仍保 持为配对形式，这种不同于单电子隧道效应的新现象称为约 瑟夫森效应。
1.4.5. 超导体的临界条件
实际超导材料的临界温度参数
起始转变温度Tc(onset) 转变温度宽度ΔTc 零电阻温度Tc(R=0) 中间临界温度Tc(mid)
超导材料的临界温度
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界磁场强度Hc
对于超导体，当外加磁场足够强时，会破 坏其超导性；
破坏超导态所需的最小的磁场强度称为 超导临界磁场强度。
对，库珀对中的两个电子动量与自旋均等 值相反，每一库珀对的动量之和为零。 在外电场作用下，所有这些库珀对都获得 相同的动量，朝同一方向运动，不会受到 晶格的任何阻碍，形成几乎没有电阻的超 导电流。
❖当T>Tc时，热运动使库珀对被拆散为正常
电子，超导态转变为正常态。
1.4.4. 产生超导电性的原因
➢声子的交互作用使得库伦排斥的两个电子产生吸引形成电子对。 ➢两个电子组成电子对后，其中一个即使受到晶格振动或杂质的 阻碍，另一个电子也会起调节作用，使电子通路不受影响，从而 产生超导现象。
1.4.4. 产生超导电性的原因
温度对超导电性的影响：
温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合 愈牢固，超导电性越显著。
温度越高，电子对因受热运动的影响而遭到破 坏，就失去了超导性。
1.4.4. 产生超导电性的原因
BCS Theory (1957)解释了超导电性现象的本质 Bardeen, Cooper, Schrieffer分享了1972年Nobel物理学奖
量子隧道效应：
电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领。当 然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。
例如：在两块常规导体Al中间夹入一层很薄的势垒 （10-10m的绝缘层），在两块Al之间加上电势差，就有电 流流过绝缘层，该电流是有电阻的，这是正常导体的量子 隧道效应。
1.4.3. 超导隧道效应
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界磁场强度Hc
临界磁场强度为温度的函数，表达式为：
Hc
H c 0 1
T2 Tc2
Hc Hc0
(T Tc )
0 Hc0为绝对零度时的临界磁场；
Tc
T
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界电流Jc
❖ 破坏超导态所需的最小电流密度; J=I/A,单位A/m2
❖ 超导临界电流与临界温度的关系：
1.4.2. 迈斯纳效应
➢ 零电阻现象是超导现象的必要条件，
但是电阻为零叫理想导体≠超导体。
➢ 零电阻现象和完全抗磁性是超导体两
个最基本，而且互相独立的属性。
➢ 只有同时具有零电阻和完全抗磁性才
能称为超导体。
1.4.2. 迈斯纳效应
北京有色金属研究总院研制的超导材料显示的迈斯纳效应
1.4.3. 超导隧道效应
1.4.4. 产生超导电性的原因
BCS理论：
当在超导临界温度以下时，通过晶格振动（声子）为媒介 的间接作用使电子之间产生某种吸引力，克服库伦排斥从而导 致自由电子将不再无序地“单独行动”，并形成“电子对”。
BCS理论不能解释30K以上的超导现象，特别是高温超导。
电子对概念
❖当温度T<Tc时，超导体内存在大量的库珀
1.4.2. 迈斯纳效应
迈斯纳效应的发现：
1933年德国物理学家迈斯纳发现在超导态
下，超导体内部的磁场强度H总为零，即
具有完全抗磁性，这种现象就称为迈斯纳 效应。
1.4.2. 迈斯纳效应
完全抗磁性的原因
North
North
常规导体
超导体
South
South
外加磁场使超导体表面产生感应电流，该电流在超导体内产生的磁场 和外磁场抵消，使超导体内部磁场为零。
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界参数之间的关系
Jc
❖三个性能指标，相互制约； ❖一般来说，指标越高越好。
1.4.5. 超导体的临界条件
超导临界温度Tcwenku.baidu.com
❖ 超导体从常导态转变为超导态的温度；即电阻突 然变为零时的温度。
❖ 由于组织结构不同，超导临界温度不是一个特定 的数值，而是跨越一个温度区域；因此实际超导 材料的临界温度用四个参数表征。
超导材料
福建农林大学材料科学与工程系
超导材料主要内容
1 2
零电阻现象 完全抗磁性－迈斯纳效应
3 产生超导电性的原因－BCS理论
4
超导临界条件
5 第一类和第二类超导体
6
超导材料的发展历史
7
超导材料的应用
本节需掌握的重点
1 超导体两个基本特征：零电阻效应和迈斯纳效应； 2 超导体零电阻和完全抗磁性的原因； 3 超导体的三个临界条件； 4 超导体的两种基本类型； 5 超导体的主要应用。
1.4.5. 超导体的临界条件
温度T<临界温度Tc
磁场强度H<临界磁场强度Hc 在温度低于Tc，外加磁场强度H>Hc的磁场作用 于超导体时，磁力线将穿入超导体，超导态被破 坏而转入正常态。
电流密度J<临界电流密度Jc 同时,电流密度产生的磁场与外加磁场的 矢量和应小于临界磁场强度Hc。
注意区分： 电流强度I－单位时间通过某截面电荷的量； 电流密度J－单位面积上通过的电流强度；
J c J c 01 T 2/T c 2
1.4.6. 第I类和第II类超导体
第I类超导体只有一个临界 磁场Hc；
当H<Hc时，超导态； 当H>Hc时，正常态。
常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、锡等; 熔点较低、质地较软，亦被称作“软超导体”； 临界电流密度和临界磁场较低，没有很好的实用价值。
1.4.1. 零电阻现象
常规导体电阻的成因：
常规导体在传输电流时，电子会与导体原子组成 的晶体点阵发生相互作用，将能量传递给晶格原子， 晶格原子振动产生热量，造成电能的损失。
常规导体电阻的负面作用：
电力传输中电阻发热，浪费资源，增加用电成本；
1.4.1. 零电阻现象
超导零电阻现象的发现
1911年荷兰的卡茂林·昂尼斯教授用液氦将水银冷凝成固态导 线（-40℃），并将温度降低到－269℃左右时，水银导线的 电阻突然完全消失，首次发现了超导体的零电阻现象。