超导简介

1908年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯 ( Hei4.2 K 左右。
之前，人们已经知道，随着温度的降低，金 属的电阻也会越来越小。那么，随着温度降到热 力学温度零度附近时金属的电阻会怎样变化呢？
选择了当时最容易提纯的水银作为实验材料，在 液氦的温度下进行了认真的研究。实验的结果使
Байду номын сангаас1911年，卡末林 ·昂内斯和他的学生一起，
Hc
当通到线圈的电流产生的磁场超过一定强度 时，超导体 会突然 就变成 正常导体 ，出现了电 阻。这种大到一定强度就破坏超导态的磁场值，
叫做 临界磁场，
用
Hc 表示。
实验表明对一定的超导体临界磁场是温度的
函数。
到最大值。高于临 界值是一般导体， 低于此数值时成为 超导体。
T = Tc 时，Hc = 0 T → 0 时， Hc 达
以及磁悬浮列车等。
四 传统超导体的微观机制
1. 二流体模型 荷兰物理学家戈特和卡西米尔两个人在热力 学理论的基础上提出了一个模型。在超导体中存 在有两种电子，它们彼此独立地流动。一种是正 常的电子，另一种是超导电子。这两种电子就象 两种流体一样在超导体中流动。在正常态时，只 有正常电子，所以它的行为就和正常导体一样， 存在电阻。当 降到 c 以下时，进入超导态， 这时超导体就出现了超导电子，它们可以不受任 何阻碍地在超导体中流动， 越多。当
超导简介
1. 超导是怎样发现的？
2. 超导体有哪几个临界参量？
3. 什么是迈斯纳效应？
4. 传统超导体必须同时具有什么特性？
5.
BCS理论是什么？
6. 何为第一类超导体？ 何为第二类超导体？ 7. 什么是高温超导？ 8. 什么是约瑟夫森效应？ 9. 超导有何应用？
一
超导现象的发现
ke Kamerlingh Onnes，1853－1926 ) 首次液化了 氦气 。人们 第一次达到了当时地球上的 最低 温 度，大约
T
Tc ∝ M
同位素质量越大，
1 2
Tc 就越低。这一效应叫做同位 素效应。如水银 M 从 199.5 变化到 203.4 原子质 量单位时， Tc 从 4.185 K 变到 4.146 K 。
同位素：具有相同数目质子和不同数目中子的 元素，在化学性质上是相同的，它们叫做同位素。
几乎就在同时，美国有 两个实验物理学家组 成的小组分别在实验室中发现，超导体的 反比于超导体的同位素质量的平方根。
根据超导体完全抗磁性的性质 ，人们曾设计 了一个有趣的实验 ，如果把一块磁铁放在一个超
导体做成的盘子中 ，由于磁铁的磁力线无法穿透 超导体 ，两者之间将产生一个斥力，磁铁就会悬 浮起来。
这种情况 就象是在超导 盘下方，有一 块相同的镜象 磁铁存在一样。
根据这种 原理，可以利 用超导体做成 无摩擦轴承、 高精度的导航 用超导陀螺仪
他们大吃一惊。当温度降到
4.2 K 左右时，水银
的电阻竟然突然地消 失了！
经过反复检查后， 卡末林· 昂内斯终于证 实了这是真实的情况。
昂内斯因对物质 低温性质的研究和液 氦的制备而获得1913 年度的诺贝尔物理学 奖。
二 超导体的三个临界参量
1.
超导体的临界温度
Tc
在一定值的温度下，电阻突然变到零，或 者 说电阻完全消失 ，这种 状态 称为 超导态 ( superconducting state )， 超导体 ( superconductor ) 。 超导体在刚刚进入超导态的温度叫作 超导临 界温度 ( superconducting critical temperature )， 而具有这种特性的物质就称为
T
T
T 越低，超导电子就
T 无限地接近热力学温度零度时，超导
体中就只有超导电子存在了。这样一个模型，称 为 “ 二流体模型 ” 。 2. 同位素效应
出，产生超导的相互作用是电子 和点阵之间的相 互作用。弗勒利希的理论也提出了一个预言，超
1950年，一位叫弗勒利希的英国物理学家提
导体的 c 将反比于构成该超导体的同位素质量的 平方根。
迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一 个具有完全抗磁性的 抗磁体 。
实际上磁场强度
B 有一穿透深度
x
B B0 e

:
穿透深度
超导体的迈斯纳效应的意义 在于否定了 超导 体是理想导体的概念。电阻为零 和 完全抗磁性是 超导体最基本的两个性质 ，衡量一种材料是否 具
有超导性 必须看 是否 同时有 零电阻 和 迈斯纳效 应。
用
Ic 的大小随温度 T 的高低而变化， Ic 为零。
三 迈斯纳效应 1933 年，德国 物 理 学 家 迈 斯 纳 ( W.F. Meissner，1882－1974 ) 和奥克森菲尔德 ( R. Ochsenfeld ) 对锡单晶体超导体做磁场分布测量
时，在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导
体内的磁 感应线似 乎一下子 被“排斥” 出去，保 持体内磁 感应强度
导体本身性质有关， 还与温度
Hc 不仅与 超 T 有关，
Hc ( T ) = Hc ( 0 ) [ 1 － ( T ／Tc ) 2 ] Hc ( 0 ) 为 T → 0 时的临界磁场。
3. 超导体的临界电流
Ic
Ic 表示。 在 Tc 下，
实验表明，如果在不加磁场的情况下，当通 过超导体的电流大到一定程度时，也将会破坏超 导态，这个电流值叫做 临界电流，
B= 0 。
实验 表明，不 论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线 ， 当它进入超导态后，只要外磁场
B0 ＜ Bc，超导
B 总是等 于零，即 B = 0 。由此
内 可求得金属 在超导态的 相对磁导率
μr = －1 ( μr ＜ 0 ，
抗磁质，物
质具有抗磁性
) ，超导体具有 完 全 抗 磁 性 ( perfect diamagnetism )。也称为 迈斯纳效应 ( Meissner effect ) 。
用
Tc 表示。
一些元素的超导临界温度
一些超导材料的 临界温度
超导临界温 度提高的情况
超导体的电阻值比它在
小
0℃ 的电阻值至少要
10-23Ω·cm 。而 0℃ 时， -6 良导体铜的电阻率为 1.6×10 Ω·cm ，超导体
电阻率也远小于 的电阻实际上可看作零。 2. 超导体的临界磁场
10-10 倍。
Tc 确实
电子和点阵的相互作用一定是产生超导的原因 所在。