超导电现象与超导体
超导体的工作原理
超导体的工作原理
超导体的工作原理基于超导现象。
超导现象是指在超导体低温条件下，电阻突然变为零，导电电流流经超导体时能够无损失地传输。
超导体的工作原理主要涉及两个方面：电子之间的库仑相互作用和库珀对。
1. 库仑相互作用：在超导体中，当温度降低到超导临界温度以下，电子之间的相互作用变得较弱。
正常情况下，电子具有电荷，移动时受到其他电子与原子核的排斥力，产生电阻。
但当温度降低到超导临界温度以下，电子之间的库仑相互作用会减弱，表现为相互之间的斥力减小。
这使得电子能够自由地通过超导体而不会受到电阻的影响。
2. 库珀对：除了库仑相互作用，超导体中还存在库珀对。
库珀对是由两个反向自旋的电子组成，它们通过相互吸引形成的。
在超导临界温度以下，超导体中的电子会通过与晶格中的振动子相互作用，形成库珀对。
这些库珀对能够在超导体中自由移动，从而不受电子与原子核的散射，进一步减小了电阻。
库珀对的形成与锂曼能隙有关，而锂曼能隙则与超导体的性质和化学组成有关。
总之，超导体的工作原理是由库仑相互作用和库珀对协同作用所导致的。
温度降低到超导临界温度以下时，电子之间的相互作用减弱，形成库珀对，并且库珀对能够自由地在超导体中移动，从而实现了无损耗的电流传输。
超导体的工作原理
对于超导电器件的设计和应用具有重要意义。
物理学中的超导现象
物理学中的超导现象超导现象是物理学中一种特殊的电性现象，指的是某些金属或化合物在低温下，电流可以在其内部自由流动而不产生电阻。
这一现象首先在1911年被荷兰物理学家海克·卡末林降温到4.2开尔文时观察到，并由此获得了诺贝尔物理学奖。
超导现象在后续的科研中得到了广泛的关注和研究，并产生了重要的应用价值。
一、超导现象的发现和基本原理超导现象的发现是通过测量电阻来进行的。
传统金属在低温下电阻会随温度的降低而减小，但总会存在一定的电阻。
而超导体在一定的低温下，当电流通过时电阻会迅速降至零，电流可以在超导体内部自由流动。
这种特殊的电子输运机制被称为Cooper对（Cooper pairs）。
超导现象产生的基本原理是电子组成电流时会相互散射，通过与晶格的振动相互作用而产生电阻。
在超导体中，由于低温下电子和晶格的相互作用被压制，且电子之间会产生一种配对的状态，这样电子就能在超导体里自由流动而不受阻碍。
这种电子之间的相互配对被称为Cooper对。
Cooper对的形成是由于晶格振动引起电子之间的吸引力，这种吸引力能够克服电子之间的库仑排斥力。
二、超导现象的分类超导现象分为一类和二类超导现象，主要区别在于外加磁场的影响。
一类超导现象是指在外加磁场下，超导体会完全失去超导状态。
这是因为外加磁场会破坏超导体内的Cooper对，从而导致电流产生电阻。
一类超导体的临界磁场较低，因此在应用上有限制。
二类超导现象是指在外加磁场下，超导体仍能保持部分的超导性。
在此情况下，超导体内部会形成磁通管（flux tube），Cooper对不会完全消失，但会形成势坑。
而势坑内的磁通管能量较低，电流可以继续自由流动。
三、超导现象的应用1. 磁共振成像（MRI）超导体的特性使其在医学成像中有着广泛应用。
MRI技术利用超导磁体产生强大的磁场，通过对人体组织的成像来诊断疾病。
超导体的低电阻性能使得MRI设备能够产生持续和稳定的强磁场，并提供高分辨率的图像。
超导体
超导体一般材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动几乎消失，材料的电阻趋近于0，此时称为超导体，达到超导的温度称为临界温度。
发展史1911年：超导电性的发现1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。
根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料[1]和低温超导材料[2]。
但这里所说的「高温」，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。
1933年1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。
经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。
1973年1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年。
1986年1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K（﹣240.15）的高温超导性。
此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。
1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。
1987年1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K（﹣185.15℃）以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。
1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K（﹣150.15℃）。
从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。
来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6+δ中观察到了所谓的磁共振模式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。
超导体超导电性
三个基本参数超导体的基本特性之一是零电阻(完全导电性)，就是说在超导临界转变温度之下，超导体可以在无电阻的状态下传输电流。
超导体的另一个基本特性是完全抗磁性。
也就是说超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入。
这个现象是迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Oschenfeld）在1933年发现的，所以称做迈斯纳效应。
严格说来，完全抗磁性是超导体的更本征的特性。
迄今为止，除了超导体外，还没有发现其它任何材料具有完全抗磁性。
而对于零电阻和非常小的电阻的区别，在量上是很难定义的，尤其是在测量中受到所使用仪器精度的限制。
所以人们在鉴别某种材料是否是超导体时，除了使用电阻法来测量样品的电阻外，更多的是使用磁测量的方法来测量样品的抗磁性。
当然，现在如果要鉴定某种材料是否是超导体，两种方法会同时使用，使结论更加准确。
即使在低于超导临界转变温度时，超导体也不是可无限制地通过电流而仍处于无电阻的状态。
当所通过的电流达到某一数值时，超导体将失去超导特性，变成具有电阻的一般正常导体。
在一定温度下（这个温度一定低于超导体的临界转变温度）这个使超导体转变成正常导体的电流值就称为该超导体临界电流。
为了更好地把超导体的超导载流能力与材料固有性质联系起来，人们一般用临界电流密度来表述超导体的载流能力。
临界电流密度定义为临界电流/超导体通流截面积。
另外，超导体在不同的温度下的临界电流密度是不同的。
温度越低，临界电流密度会越大。
所以在谈及临界电流密度时应指出是在什么温度下的临界电流密度。
超导体除了超导临界转变温度、临界电流密度外，还有一个重要的特征参数，这就是临界磁场强度。
当把一个超导体置于一个磁场中，在磁场的强度小于一个特定的数值时，超导体会表现出迈斯纳效应，把磁力线完全排斥在超导体之外，超导体内部的磁场为零。
当磁场的强度超过这个特定的数值时，磁力线就会进入超导体的内部，超导体也随之失去了超导的特性。
这个特定的磁场强度的数值就叫做该超导体的临界磁场强度。
第九章 超导电性
临界电流随温度变化的关系为，
T I C (T ) I C 0 (1 2 ) TC
式中IＣ０是绝对零度时的临界电流。
2
小结： 超导体 • 1. 两个基本属性： （1）零电阻效应 （2）迈斯纳效应 2. 三个基本参数： （1）临界温度TＣ （2）临界磁场HＣ （3）临界电流IＣ
§9.2 超导电性的基本理论
第九章
超导电性
§9.1 超导现象及基本规律
§9.2 超导电性的基本理论
§9.3 超导体的类型
§9.4 超导隧道效应
§9.1
• 9.1.1
•
பைடு நூலகம்
超导现象及基本规律
1908年，荷兰的物理学家昂纳斯 （Onnes）将氦气液化(4.2K).
• 1911年，昂纳斯（Onnes）在研究 水银电阻在液氦温区的变化规律 时，首次观察到超导电性。 4.2K以下，发现水银的电阻突然消失，呈现零 电阻状态。
同位素效应的意义：
(a) 在式Ｍα ＴＣ＝常数 式中，原子质量 M反映了晶格的性质，临界温度TＣ 反映 了电子性质，同位素效应把晶格与电子 联系起来了。在固体理论中，描述晶格 振动的能量子称之为声子，同位素效应 明确告诉我们电子-声子的相互作用与超 导电性有密切关系。
(b) 人们发现导电性良好的碱金属和贵 金属都不是超导体，其电子－晶格相互作 用很微弱。而常温下导电性不好的材料， 在低温却有可能成为超导体。此外临界温 度比较高的金属，常温下导电性较差。这 些材料的电子-声子相互作用强。 因此，弗洛里希(H.Frolich)提出电子声子相互作用是高温下引起电阻的原因， 而在低温下导致超导电性。 同位素效应支持了弗洛里希提出的电 子-声子相互作用的探讨方向。
图9-3 （a）
超导电基本现象和基本规律
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
超导电基本现象和基本规律
Meissner 效应
超导电基本现象和基本规律
§10-2 超导转变和热力学
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
超导电基本现象和基本规律
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
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
超导电基本现象和基本规律
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）
超导体的工作原理
超导体的工作原理超导体是一类具有特殊性质的物质，其工作原理基于超导现象的产生和传输电流的方式。
超导体的工作原理可以从以下几个方面来详细解释。
1. 超导现象的产生超导现象是指在低温条件下，某些物质的电阻突然变为零，电流可以无阻碍地通过。
这是由于超导体中存在一种特殊的电流传输机制——库珀对的形成。
库珀对是由两个电子组成的配对，它们可以以零电阻的方式穿过超导体结构，从而导致超导现象的发生。
2. 临界温度超导体的工作需要低温条件下进行，这是因为超导现象只在临界温度以下才能发生。
临界温度是超导体能够实现零电阻状态的最高温度，不同的超导体材料具有不同的临界温度。
目前已经发现的超导体材料中，最高的临界温度约为-135摄氏度，这意味着超导体需要冷却到非常低的温度才能产生超导现象。
3. 超导体的结构超导体通常采用复杂的结构来实现超导性。
其中一种常见的结构是由导体和绝缘体组成的层状结构，导体层用于传输电流，而绝缘体层则用于限制电流的散失。
这种结构可以降低电流的损耗，从而提高超导体的效率。
4. 凝聚态物理学理论超导体的工作原理可以用凝聚态物理学的理论来解释。
凝聚态物理学研究微观粒子在固体中的行为，通过量子力学的原理来解释超导现象。
其中一个重要的理论是BCS理论，它解释了超导现象与电子之间的配对有关。
根据BCS理论，超导体中的电子通过和晶格振动相互作用，形成库珀对，从而实现零电阻。
5. 应用领域超导体的工作原理为其在各个领域的应用提供了基础。
超导体的零电阻特性使其在能源输送和储存方面具有潜在的应用价值。
例如，超导电缆可以将电能远距离传输而几乎不损失能量，这对于大规模输电系统来说具有重要的意义。
此外，超导体还被广泛应用于磁共振成像、粒子加速器等领域。
总结起来，超导体的工作原理是基于超导现象的产生和电流的传输方式。
超导体通过低温条件下的库珀对形成实现零电阻，这需要复杂的结构和凝聚态物理学的理论解释。
超导体的工作原理为其在能源输送、磁共振成像等领域的应用提供了基础。
超导电性的原理及其应用前景
超导电性的原理及其应用前景超导电性是一种独特的物理现象，它指的是在低温下某些材料的电阻降至零。
这种现象被广泛应用于科学研究和技术领域，比如超导磁体、超导线材、超导电机等等。
本文将从超导电性的原理、实现方式以及应用前景三个方面来探讨这种神奇的物理现象。
一、超导电性的原理超导现象的发现可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡梅林根据麦克斯韦-波尔兹曼理论预测，在绝对零度下仍有可能存在一种几乎完美的电导体。
而这种理论预测，得益于量子力学的诞生，故称为BSC理论，其主要思想是在原子尺度上，电子之间存在弱吸引力，通过构成库珀对，从而体现超导电性。
具体来说，超导材料在低温下可以大量的生成非常强的库珀对。
这种特殊的电子对因为相互吸引而彼此结合在了一起，而且对于外部电场几乎没有任何反应。
当正常材料导电时，电子之间会受到杂质、晶格振动和外部电场的干扰，因此很难保持相互结合并且运动流畅。
而当超导材料降温到一定程度时，晶格振动会变得越来越弱，电子自然就更容易彼此结合，从而形成了高度协作的电流传输状态，引起了超导电性。
对于不同的超导体，其致超温度具有不同范围，自然也有非常不同的获得温度（温度越高，挑战也就越大），可以是近0K的低温超导材料，也可是30多度K 的高温超导材料。
二、超导电性的实现超导电性是非常神奇的物理现象，但它实际应用时需要做到一些技术性方案，才能达到预期的效果。
超导材料的制备、制冷技术的发展，都在推动着超导电性应用的不断扩大。
超导材料的制备是实现超导电性的一个关键点。
对于低温超导材料，目前主要制备方式是低温蒸发法，将合金加热到化合物体系的原始组成，然后对其进行某些处理以改善电性和超导性能。
对于高温超导材料，目前采用的是锰铝比例共沉淀法，或者提高煤质的盘状微晶法等。
制冷技术发展是实现超导电性的另一个重要方面。
低温超导材料需要使用液氦来冷却到极低的温度，而高温超导材料则可以使用制冷剂，如液氮。
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超导电现象与超导体
超导电性是某些物质在低温下出现的电阻为零和排斥磁感线的现象，这类物质称为超导体．
1911年，荷兰物理学家昂里斯发现，当温度降到4.2K时，水银的电阻突然消失，第一次发现了超导电现象．水银电阻随温度变化的实验曲线如图1所示．从图中可以看到，当温度T＞T1时，水银具有通常的导电性，处于正常态；当T＜T2时，水银的电阻完全消失，进入超导态．T1是从正常态向超导态转变的拐点处的温度，称为起始转变温度．T2是电阻完全消失的温度，称为零电阻温度．以后，人们又相继发现了28种元素在常压下、15种元素在高压下，具有超导性，五千多种合金和化合物也具有超导性，其电阻率随温度的变化也有类似于图1的曲线．
超导体的理想导电性和完全抗磁性是超导体的两个独立而又相互联系的基本性质，常用来作为确定物质是否具有超导性的判据．
理想导电性处于超导态下的超导体的电阻极小，在目前的测量精度内测不出来，说明其电阻率的上限为10-27Ω·m，仅为室温下铜的电阻率（1.67×10-8Ω·m）的千亿亿分之一，完全可以视为零．美国麻省理工学院在磁场中放上用超导材料做成的环，待环冷却至超导态后把磁场撤消，由于电磁感应在环中激起感应电流，经过两年半时间的观测，没有发现环中电流所激发的磁场有明显的衰减，说明电流无明显衰减．因此，可以设想，超导体内部一旦有电流通过，几乎会永远流下去．电流流动时没有能量损失，这样就可以把目前输电线路上损失掉的30%的能量节约下来，减少变电设备上的巨大投资和由于高压输电引起的火灾、触电等事故．如果把发电机的统组线圈换成超导体，就可做成体积小、重量轻、噪音低、功率大的发电机．利用超导体，日本在1987年还研制出了效率很高的容量为72千伏安的世界上最大的交流变压器，效率达98%．
因为超导体没有因线圈过热而被烧坏的担忧，可以通过强电流，（不能超过临界电流密度，即能够维持超导态，在超导体中流过的最大电流密度J c）以产生数十万高斯的磁场．可用它做成体积小、重量轻、稳定性好、均匀度高、易于启动、能长期运转、能量损失极少的超导磁体．例如要造一个能产生10万高斯的强磁场，要用内径为0.9m的螺线管，若采用铜线并用水冷却，所需消耗的功率为6万千瓦，冷却水用量为每秒10吨．若采用液氦温度的超导体，只需消耗10千瓦的功率来制造液氦，仅是利用铜导体的六千分之一；若采用液氮温区的超导体，则更省得多．这些超导磁体可用于高能加速器、受控热核反应等需要强磁场的地方，或储存能量，或利用它所产生的磁场梯度大的特点净化废水等．超导磁体还可用于
磁流体发电，也就是把气体加热电离，通过位于强磁场中的平行极板之间的区域，依靠洛仑兹力的作用使正负离子向两极板偏转，产生电动势．据测算，磁流体发电可使燃料利用率达60%，大大高于普通发电厂的40%的效率．1961年，昆兹勒等人首次用Nb3Sn线材绕成第一个强磁场超导磁体，可产生7万高斯的磁场．
完全抗磁性在电磁学中，我们把抗磁质内部磁感应强度小于外加磁感应强度的性质称为抗磁性．1933年，德国物理学家迈斯纳和奥克森费尔特发现，当超导体进入超导态后，超导体周围的磁感应线分布会发生变化，使超导体内部的磁感应强度接近为零，这种现象称为理想抗磁性．超导体在磁场中的理想抗磁性很类似于静电场中导体内部电场为零的情况．导体对静电场有屏蔽作用，电场线不能穿过导体进入（或穿出）导体；同样，超导体对磁场也有屏蔽作用，磁感线也不能穿越超导体，可用于进行磁屏蔽．超导体的理想抗磁性说明超导体本身可被视为一个磁体．若将其置于一外磁场中，为保证超导体内部磁感为零，超导体与外磁场必然形成同极性相对，如图2所示，由于同性相斥所形成的斥力可抵消重力的作用，使超导体悬浮于空中，日本已利用这一性质做成悬浮列车，速度达到每小时577公里．
绝缘层，组成一个SIS结，则绝缘层也会变成超导体，流过的电流是超导电流．只有当绝缘层内通过的直流电流不大于临界电流（约为10mA数量级以下）时才表现出超导性，故把这一现象称之为微超导电性．当SIS结中直流电流超过临界电流时，理想导电性消失，结上出现一个有限大小的电压，这时通过薄绝缘层的电流是正常电流．
因为SIS结两端电压在超导态时为零，在正常态时电压为V，这两个不同的状态可以表示1和0，用作计算机元件．这两种状态之间的转换很快，仅需8×10-11秒，用它组成双稳态触发器的翻转时间为4×10-10秒，比用晶体管的翻转时间要小得多．科学家们正致力于这方面的研究．将来，以SIS结为元件的计算机问世以后，计算速度将会提高10—100倍．利用SIS结还可组成超导量子干涉器件，用于测量磁场，精度可达10-11高斯；测量电压，精度可达10-15V；测量电流，精度可达10-8A；测量位移，精度可达10-15m，并且有灵敏度高、噪音小、功耗小和响应速度快等优点．此外，还可用于超低温测量、地质探矿、研究地质年代的构造等．
自发现超导现象后，人们不断从理论和实验两方面进行研究，进一步寻找高临界温度的超导材料．但从1911年到1986年几十年进展甚微，直至1986年—1987年间，才形成世界范围内的超导热．一方面是研究高临界转变温度的超导材料，并在金属陶瓷氧比物，如钡镧铜、钡钇铜、镧锶铜氧化物等上取得了突破．1986年1月发现了30K的超导材料；12月15日美籍科学家朱径武在40.2K发现了超导转变；12月26日中科院物理所赵忠贤等获得转变温度为48.6K的超导材料；12月30日朱径武在52.5K发现了超导转变；1987年2月又把它提高到98K；2月24日赵忠贤等获得起始转变温度在100K以上、零电阻温度为78.5K的超导材料，实现了液氮温区的超导体；3月中国科技大学获得起始转变温度为215K的材料，1989年2月制成零电阻温度为132K的铋铅锶锑钙铜氧超导体．
另一方面，自1987年4月开始，超导研究的重心转向超导机制的理论探索和应用技术的开发．在应用方面主要解决临界电流偏低，材料脆等问题．1990年4月，北京有色金属
研究总院成功制成了在2T强磁场下，临界电流密度达2.38×104A/cm2；7月上海冶金所采用熔融结构法研制成功钇钡铜氧块状超导材料，在77K、2.5T磁场下，电流密度超过4×104A/cm2．在世界处于领先地位；美国贝尔实验室采用快中子辐照氧化钇钡铜单晶体，使临界电流密度提高了100倍，达6×105A/cm2．美国马萨诺萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法，解决了材料脆的问题，使强度比超导陶瓷提高10倍，适于用作输电线．我国则早已制成零电阻温度为83.7K的超导线材和零电阻温度为77K的超导薄膜．1989年日本研制出第一台以SIS结为元件的电子计算机，运算速度达每秒10亿次，功耗6.2mW，仅为常规电子计算机功耗的千分之一．可以预见，在不远的将来，随着超导技术的广泛应用必将给其它领域的科学、技术以及人们的生产、生活带来巨大的变化。