超导
超导现象的基本原理和应用
超导现象的基本原理和应用超导是指一种物质在低温下失去电阻，电流可以在其中流动而不损失能量的现象。
这个现象被第一次成功实现是在1911年，由荷兰物理学家海斯廷斯在实验室中发现的。
随着科学技术的进展，超导的应用范围也在不断扩大。
本文将从超导现象的基本原理、超导材料的分类、超导应用等方面进行介绍。
一、超导现象的基本原理超导现象的基本原理是要把材料的温度降到零下273摄氏度（即绝对零度），此时材料中的行动能降低到最小状态，使得材料中的原子做到互相不挣扎，从而形成了一个特殊的电子配对状态，天然的电子之间互补，利用量子漩涡来形成电阻为零的电流通道。
所谓电子配对，指的是在材料中的两个电子，会形成一个拥有相反自旋的电子配对，而这个电子配对只有在极低温度下才能成功形成，才能进入到超导状态。
二、超导材料的分类目前，超导材料可分为 Type I 和 Type II 两大类，它们的区别在于超导状态的形成方式不同。
Type I 材料在极低温度下发生电子配对，使电子行动在材料内部变得凝重而不轻松，所以它们的穿透磁场能力相对较弱。
通俗的说，当外加磁场和 Type I 材料中的超导电流相互作用时，材料会失去超导状态，因为它无法忍受太高强度的外界磁场。
Type I 材料比如铅，因为它们相对于 Type II 材料更易于处理，所以在一般实际应用中，Type I 材料较为常见。
Type II 材料中的电流分布比 Type I 材料中要更加复杂，所以这类材料可以承受更高的磁场强度，这种性质使这类超导材料在一些特定应用领域中有着更广泛的应用，比如复杂的磁共振成像。
三、超导应用超导技术已经在许多领域有着广泛的应用，比如医学、能源、交通、测量等。
超导技术在医学图像方面有着重大的发展，磁共振成像的发明是基于超导原理的。
磁共振成像是一种基于高能磁场和电磁波的成像技术，其灵敏度和分辨率极高，适合于对人体内部进行高精度的成像。
此外，超导材料还被应用于核磁共振机的制造中。
超导材料原理
超导材料原理超导材料是一种具有极低电阻和完全排斥磁场的特性的材料。
它们在低温条件下能够表现出超导现象，即电流能够在材料内部无阻碍地流动。
这种特性使得超导材料在能源传输、磁共振成像、粒子加速器等领域具有广泛的应用前景。
超导现象是由超导材料的凝聚态物理性质所决定的。
在低温下，超导材料的电阻突然降为零，电流可以在材料内部自由流动。
这一现象的背后是超导材料内部的库伦相互作用和电子-晶格相互作用的共同作用。
超导材料的超导性质可以通过两个重要的原理来解释：电子配对和迈斯纳效应。
电子配对原理是指在超导材料中，电子会以某种方式形成配对，从而导致电阻降为零。
而迈斯纳效应是指在超导材料中，电流会形成闭合环路，从而排斥磁场的进入。
电子配对原理是超导现象的核心。
在超导材料中，电子之间通过库伦相互作用产生吸引力，而不是相互排斥。
这种吸引力会导致电子形成配对，称为库珀对。
库珀对的形成是由于电子与晶格之间的相互作用，晶格中的振动能量会促使电子形成配对。
迈斯纳效应是超导材料的另一个重要特性。
当电流通过超导材料时，它会形成闭合环路，即超导电流环。
这个环路会产生一个强大的磁场，这个磁场会排斥外部磁场的进入。
这种排斥效应被称为迈斯纳效应，它是超导材料排斥磁场的根本原理。
超导材料的超导性质与材料的晶格结构密切相关。
在超导材料中，晶格结构的完整性对电子配对和迈斯纳效应起着关键作用。
一些材料具有较高的超导转变温度，这是因为它们的晶格结构更加有利于电子配对和迈斯纳效应的发生。
超导材料的应用前景广阔。
在能源传输方面，超导材料的低电阻特性可以大大提高电能传输的效率，减少能源损耗。
在磁共振成像领域，超导材料的迈斯纳效应可以用于产生强大的静态磁场，从而提高成像质量。
在粒子加速器中，超导材料的超导性质可以用于加速带电粒子，使得粒子能够以更高的能量进行碰撞实验。
超导材料的超导性质是由电子配对和迈斯纳效应所决定的。
电子配对是超导现象的核心，它使得电阻降为零。
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。
神奇的超导及应用心得体会
神奇的超导及应用心得体会1. 超导技术是一项非常神奇的科学发现，它能够让电流在物质中零阻力地流动。
2. 超导技术的应用非常广泛，包括磁悬浮列车、磁共振成像、电能传输等。
3. 由于超导材料的低温要求，超导技术的应用在一定程度上受到限制，但随着技术的发展，对气体冷却和高温超导材料的研究，这些限制有望逐渐克服。
4. 超导技术在能源领域有很大的潜力，可以实现高效、低损耗的电能传输，大大提升能源利用效率。
5. 超导体在医疗应用领域中，如超导磁共振成像（MRI）技术，能够为医生提供更准确的诊断结果。
6. 超导技术在电动汽车领域也有很大的应用前景，能够提供高效、高密度的电池储能。
7. 超导技术在科学研究领域也起到了重要的作用，例如用于粒子加速器、核磁共振实验等。
8. 超导材料的研究是一个非常有挑战性的领域，需要综合考虑材料的导电性、磁性和稳定性等因素。
9. 超导技术的发展离不开先进的材料科学和物理学理论的支持和推动。
10. 对超导材料的制备和合成技术的研究与发展具有重要的意义，可以优化材料的性能和特性。
11. 超导技术在航天领域中也有应用，如超导电缆可以提供高效、轻量的电力传输，降低航天器的重量和能耗。
12. 超导技术在电力系统中的应用，如超导电缆和超导开关等，可以提高电力传输的效率和稳定性。
13. 超导技术的发展有助于推动新能源的利用和开发，促进可持续发展。
14. 超导技术在通信领域中的应用，如高频超导器件，能够提供更高的传输速度和带宽。
15. 超导材料的制备和处理技术的改进可以降低成本，推动超导技术的商业化进程。
16. 超导技术对人类社会的发展具有重要的推动作用，能够改善人们的生活品质和提高科学研究水平。
17. 超导技术的研究和应用需要多学科的融合，涉及物理学、材料科学、电子学和工程学等领域的知识。
中国超导概念
中国超导概念
中国超导概念是指中国在超导领域的科技发展和应用。
超导是一种物质在低温条件下表现出的特殊电性和磁性现象，具有很低的电阻和强磁场效应。
中国在超导领域的研究和应用取得了不少进展。
中国超导研究的起步可以追溯到上世纪50年代，当时中国的科学家就开始参与国际超导研究的交流与讨论。
在1987年，中国科学家在高温超导领域取得重大突破，成功合成了第一种高温超导材料YBCO。
此后，中国超导研究进入了高速发展的时期。
中国超导概念的核心研究领域包括高温超导、低温超导、超导材料与器件、超导电力技术等。
在高温超导方面，中国的研究人员分别在1987年、1993年和2001年分别发现了三种重要的高温超导体，对高温超导机理进行了深入探讨。
在低温超导方面，中国科学家研制出了一系列具有自主知识产权的低温超导装置和应用设备。
中国超导领域的应用也取得了不少突破，如超导磁体、超导电力设备（如超导变压器和超导电缆）、超导磁悬浮列车等。
中国在超导领域的研究和应用还面临一些挑战，如超导材料的制备难度较高、成本较高、超导设备的可靠性和性能等问题。
中国政府对于超导技术的发展给予了大力支持，相继出台了一系列相关政策和计
划，鼓励企业和科研机构加大研发力度，推动超导技术的商业化应用。
中国超导概念的发展前景广阔，有望在能源、交通、医疗、科学研究等领域发挥重要作用，也有望为中国的科技创新和经济发展注入新的动力。
超导失超(1)
幼儿园小班剪指甲教案一、背景简介幼儿园小班阶段，孩子的个人卫生意识开始逐渐形成，其中对于指甲的剪修也逐渐成为必修课。
事实上，经过许多研究发现，孩子在剪指甲的过程中，可以促进他们手部协调能力和注意力的提升。
二、教学目标1.学生能够正确理解指甲剪修的重要性及目的。
2.学生能够正确掌握指甲修剪的时机和方法。
3.提高学生手部协调能力和注意力。
三、教学内容1.视频演示和讲解通过一段简单易懂的剪指甲视频，向学生介绍指甲剪修的重要性和注意事项，例如洗手、剪修时机等。
2.实地观察老师向学生展示一些手部协调训练的道具，并向学生讲解这些道具的使用及使用方法，例如小钳子、小剪刀等。
3.操作演示老师对学生展示如何剪指甲的方法，并讲解正确的操作方法，如剪修时机、剪修角度、剪修方向等，并让学生逐个操作。
同时，老师还要对学生的操作进行认真的纠正和指导，确保学生掌握正确的剪修技巧。
4.实操练习让学生在实地操作中练习指甲的剪修，老师在一旁指导和监督学生的操作，提高学生的注意力和手部协调能力。
四、教学步骤1.准备道具老师要提前准备好需要的剪刀、小钳子、指甲锉等道具。
2.讲解和演示通过观看视频和老师的演示，让学生了解指甲的剪修重要性和基本方法。
3.实地观察老师向学生展示各种手部协调训练道具，让学生实地了解和感受这些道具的使用过程。
4.操作演示老师在黑板上或者屏幕上展示正确的指甲剪修操作方法，并让学生模仿进行练习。
5.实操练习学生在实地操作中练习指甲的剪修，老师在一旁指导和监督学生的操作，时间一般不超过15分钟。
6.总结和反馈结束实操练习后，让学生回答一些问题或总结一下本次实践中的收获，并给与必要的指导和反馈。
五、教学评估以小班学生为例，在实践环节中进行教师对学生的实时教学评估，主要考察学生的注意力和手部协调能力是否得到改善。
六、教学实施的注意事项1.教室环境要干净卫生，确保道具的安全和清洁消毒。
2.学生的指甲修剪器材要有所区分，同学之间不要共用。
超导材料有哪些
超导材料有哪些
超导材料是一种在低温下能够表现出完全零电阻和完全抗磁性的材料。
自从超
导现象首次被发现以来，科学家们一直在努力寻找新的超导材料，并不断探索其在能源、电子学和医学领域的应用。
那么，超导材料究竟有哪些呢？本文将对目前已知的超导材料进行介绍。
首先，最经典的超导材料莫过于铅和汞。
这两种金属在低温下能够表现出完全
的超导性，是最早被人们发现的超导材料。
然而，由于其需要极低的工作温度，因此在实际应用中受到了一定的限制。
随着科学技术的不断进步，人们发现了一系列复合超导体，其中最著名的要数YBCO和BSCCO。
这两种复合超导体在液氮温度下即可表现出超导性，因此在实
际应用中具有更大的潜力。
YBCO和BSCCO的发现，为超导材料的应用带来了新
的希望。
除了金属和复合超导体，还有一类新型的超导材料被人们所关注，那就是铁基
超导体。
铁基超导体因其晶格结构与高温超导性的关系而备受关注，其超导转变温度较高，因此在实际应用中具有很大的潜力。
此外，还有一些其他的超导材料，如镁二硼化镁、铜氧化物等，这些材料因其
特殊的晶格结构和电子态而表现出超导性。
虽然这些材料在实际应用中面临一些挑战，但它们的发现为超导材料的研究开辟了新的方向。
总的来说，超导材料种类繁多，包括金属、复合超导体、铁基超导体等。
每一
种超导材料都有其独特的性质和潜在的应用价值，因此对超导材料的研究仍然具有重要意义。
未来，随着科学技术的不断进步，相信会有更多新型的超导材料被发现，为人类社会带来更多的惊喜和改变。
超导现象的基本特征
超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。
在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。
超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。
基本特性超导体具有三个基本特性：完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。
完全导电性完全导电性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。
完全导电性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。
交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起；在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起。
交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数，如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷费用，提高运行的稳定性。
完全抗磁性完全抗磁性又称迈斯纳效应，“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下，磁力线无法穿过超导体，超导体内部磁场为零的现象，“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。
完全抗磁性的原因是，超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，抵消了超导体内部的磁场。
超导体电阻为零的特性为人们所熟知，但超导体并不等同于理想导体。
从电磁理论出发，可以推导出如下结论：若先将理想导体冷却至低温，再置于磁场中，理想导体内部磁场为零；但若先将理想导体置于磁场中，再冷却至低温，理想导体内部磁场不为零。
对于超导体而言，降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作，无论其顺序如何，超导体超导体内部磁场始终为零，这是完全抗磁性的核心，也是超导体区别于理想导体的关键。
[4]通量量子化通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（superconductor）—绝缘体（insulator）—超导体（superconductor）结构可以产生超导电流。
超导简介_精品文档
➢1935年 London 兄弟在二流体模型的基础上从电动力学的角度出发提 出了London模型，首次引入了穿透深度的概念。
➢A. B. Pippard 在五十年代初仔细研究了穿透深度随外加磁场的变化， 并从中提出了相干长度的概念并且建立了非局域方程。
合金超导体来说是目前种类最多的超导体，早在1961年B. W. Toberts 就列出了450多种。在进入21世纪之前其最高Tc一直是由Nb3Ge保持的， 转变温度接近23.2K 。直到2001年，MgB2的发现，才打破了这一纪录。 这种结构简单的二元化合物超导转变温度达到了39K。
NaCl型
NbN ZrN NbC MoC TaC
铜氧化物超导体：
➢1986年，IBM苏黎世实验室的两位科学家G. Bednorz和K. A. Muller发现在 La-Ba-Cu-O体系中存在30K的超导转变。 ➢1987年初，中国科学院物理研究所的赵忠贤小组和美国休斯敦大学的朱经 武、吴茂昆等人各自独立发现了在Y-Ba-Cu-O体系中90K以上的超导转变温 度。人们首次将超导转变温度提升到了液氮温区以上。 ➢1988年日本科学家H. Maeda等人在BiSrCaCu2Ox材料中发现临界温度在 105K以上。同年，人们在Tl-Ba-Ca-Cu-O体系中也发现了临界温度在100以 上的超导电性。 ➢1993年A. Schilling等人发现Hg-Ba-Ca-Cu-O的最高转变温度常压下达到 133K ➢1994年朱经武等人报道在30GPa的高压下可以将Tc提高到164K。
基本性质与理论
•基本性质 •Ginzburg-Landau 理论 •BCS理论
超导的基本原理
超导原理金属导体的导电能力好，电阻小，是因为价电子少，价电子层较空，存在着通畅的电压波传导通路、及电流流经的通路，这也是金属导体导电的物理机理。
绝缘体难以导电，是因为价电子多、通道阻塞。
物质内导电通路是动态的，因为有价电子的存在、还有其运转伴生的磁场对电压波、对电流的运行形成阻碍-电阻。
自从人类发明了用电，导体内的电阻就损耗了大量的电能，人们不喜欢这个电阻，然而只要价电子运转着、电阻就天然存在着，想要电阻为零几乎是不可能。
学界一直在努力找寻降低电阻的新技术、新材料。
皇天不负有心人，电阻为零的超导终于出现了。
超导1911年荷兰著名物理学家卡梅林·昂内斯首次将氦液化，获得了4.6K（-268.4℃）的低温。
当昂内斯将金属汞置于低温液氦中，发现汞的电阻急剧下降，直至消失，电阻为零！这样的现象叫做超导，这在当时简直是不可思议。
其原理是什么？是物理学面临的新课题。
面对电阻为零的超导，物理学应该有个说道，于是，各种猜想学说应运而生：有说是在低温条件下原子被冻僵了；有说产生了电子隧道；还有提出了唯象理论（建立在假定之上的理论），假定在极低温条件下两个电子凝聚、结成了库伯对（BCS）……但是这电子如何凝聚、隧道怎样产生、原子如何冻僵？难有交代。
超导原理超导与温度密切相关，于是，首先应该在温度、在热学上找答案。
在之前的博文《热的本质是什么——热学（一）》中，谈到物质核外电子的运转速率随着温度变化，温度高——核外电子速率高；温度低——核外电子速率降低，那么超导时候核外电子速率很低？文章开头讨论到，电阻是价电子运转及其伴生磁场所导致。
超导电阻为零，说明价电子的阻碍消失，是不是温度低-价电子的速率降低、甚至是运转停止？然而超导电流强大，说明价电子没有停止，那么，价电子是强大电流的参与者。
于是超导的机理显现端倪。
超导原理是：在很低的温度下，物体的核外电子速率降低，达到临界温度，价电子运转速率越来越低。
核心习惯于高温下的核外电子快速运转，价和电子的运转缓慢，造成了原子暂时缺失价电子的现象。
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超导之谜 超导现象及其主要特性 一、什么是超导体 到目前为止，科学家已发现某些金属（包括合金）、有机材料、陶瓷材料在一定的温度Tc以下，会出现零电阻的现象，我们称这些材料为超导体。同时，科学家们还发现，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Tc外，还有一个临界磁场强度Hc，当外界磁场超过Hc时，即使用低于Tc
的温度也不可能获得超导态。此外，在生物体中也发现有超导现象存在。
超导现象首先是由荷兰Leiden大学学者Kamerlingh Onnes（卡末林·昂尼斯）在1911年发现的。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。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。 二、超导的主要特性 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。下面，将分别加以介绍。 1. 零电阻效应 零电阻是超导体的一个最基本的特性。图3-1是金属电阻与温度的关系曲线，在T>Tc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。当T达到临界温度Tc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，改变了原运动方向，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。当你观察台球运动时，常会看到图3-2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。
R O T 图3-1 在Tc处，R陡降为0
'A
'A'B'B
碰撞改变球的运动方向 图3-2 A B A B 球A将它全部的动能交给球B 图3-3
CT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3-3所示，球A将自己的运动能全部交给了球B。在金属中，正是类似的效果使自由电子的定向漂移受到阻碍，通常讲的金属中的电阻指的就是这个意思。什么时候电阻才可能为零呢？按照经典理论，只有当温度T=0K，即为绝对零度时晶格才停止热振动，不再散射电子，电阻才为零，我们称此理论为零温零电阻论。在较高温度时，电阻与温度成直线关系，于是由经典理论应得到图3-4所示的R-T直线。显然用这条直线是无法解释超导的非零温零电阻现象的。
再看看量子理论能否解释。根据谐振子的量子理论，即使T=0K，晶格仍有零点振动能。因此，电阻不能为零。图3-5是按量子理论得到的R-T关系曲线，其中T=0K时R≠0；在T较小时，RT5。由此可见，量子理论也无法解释超导的非零温零电阻效应。 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。迈斯纳效应是超导体根本的特性。早期曾有人认为超导体是一种导电率等于无穷大的导体，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V，电流I和电阻R之间的关系：V=IR。如果用场的观点来表示，则欧姆定律有一定微分形式 Ej 其中，j是电流密度矢量，E是电场强度，是电导率。此外，由电磁学 的麦克斯韦方程
tBE
可知，若将超导看成是的导体，于是在超导体中的磁场B应满足方程 0jEt
B
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。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3-6所示，如果认为超导志体是的普通导体，则应出现图3-6（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。
图3-5 量子理论的R-T曲线 R T 图3-4 经典理论的R-T直线
R R 但实验结果表明图3-6（a）的情况并未出现。相反，实验结果是图3-6(b)所示的情况。无论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内部最后均无磁场。超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的本质特性。磁悬浮现象就是超导体具有完全抗磁性的证明，见图3-7。
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3-8（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3-8（II）和图3-9。 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TC处，比热出现了突变。Keesom-Kok实验表明，在超导态，电子对比热的贡献约为正常态的3倍（见图3-10）。在水变成冰的相变中，体积改变了，同时伴有相变潜热，这类相变称为一级相变。如果发生相变时，体积不变化，也无相变潜热，而比热、膨胀系数等物理量却发生变化，则称这种相变为二级相变。正常导体向超导体的转 变是一个二级相变。后面将会讨论这一相变的微观过程。
B=0 ，导体内磁场 超导体抗磁性
与过程有关 与过程无关 图3-6 (a) 图3-6 (b)
图3-7 磁悬浮现象 H H0 正常态 超导态
0 Tc T H Hc2 正常态 Hc1 混合态 纳尔斯态 0 Tc T
图3-8 第I，II类超导体
超导相 正 常 相
图3-9 混合态
先冷却
先
冷却
后冷却 后冷却 0E0E
4. 单电子隧道效应 1960年，美国技术员Giaever（吉埃瓦）从事元件A1-A12O3-A1的隧道效应实验室研究，这是普通导体中的量子隧道效应。Giaever在工余去一所工业专科学校听物理课，从老师那里获悉了超导能隙的概念，年轻的技术员立即觉察到用自己的实验方法能测量这个能隙的宽度Δ。他没费多 少时间就证实了自己的想法，从而发现了超导的单电子隧道效应。 隧道效应是微观运动中所特有的，在宏观运动中没有这一现象。例如，在地球引力场中，一个小球要越过一个高坡，必须使其动能E0满足
Emvmgh0022 如果Emgh0，则小球是不可能越过这一高坡的（见图3-11），高坡就像一堵墙，称为势垒。对于微观粒子，情况就不一样了。譬如，当一个电子在势垒下运动时，电子可以借助真空，从真空吸收一个虚光子，使自己的能量增大而越过势
垒，电子一旦越过势垒，便将虚光子送还给真空。同时，电子的能量也返回到原来的值，图3-12示意了这一过程。微观粒子就是凭借高超惊人的魔术戏法穿过势垒的，量子理论称它为隧道效应。在Al-Al2-O3-Al元件中，普通金属Al之间的绝缘层A12O3相当于一个势垒,一般不能导电,但量子隧道效应可产生微小电流（见图3-13）。如果换成超导-氧化物-超导元件,则由于超导的能带存在能隙,能隙的下面是满带,上面是空带,满带中的能级被电子全部填充,无空位能级,空带
h m v
图3-11 小球在引力场中运动
C/γTc 3 2 l 1
0 T/Tc 图3-10 Keesom-Kok实验
吸收光子 放出光子 Al Al 导带 导带
图3-12 电子从势垒中穿过 图3-13 隧道效应
Δ 未加外电压时无隧道效应 eV时无隧道效应 图3-14 图3-15
超导体超导体满带空带空带
满带eV满带空带
中的能级一个电子也没有,故未加外电压时（见图3-14）无隧道效应。因为左边的电子穿过势垒后,在右边没有空位能级容纳它。当外加电压使eV时,也无隧道效应（见图3-15）,因为电子从左至右穿过势垒,正好进入满带或能隙。按照量子理论,能隙中的能态是不容许存在的。可是,一旦电子的能量升高到eV时,左边满带中的电子就可以穿过势垒进入右边的空带,于是有电流出现。显然Ve0是开始出现电流的电压值,V0可以从Giaever的实验中测出,所以能隙Δ
可以很快地算出来,为 图3-15和图3-16表示的是电流出现前、后的电压值与能隙宽度Δ的关系。以上公式中的e是电子的电量数值。 5. 约瑟夫森效应（双电子隧道效应） 1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验物理研究生，20岁的约瑟夫森（Josephson）提出，应有电子对通过超导-绝缘层-超导隧道元件，即一对对电子成伴地从势垒中贯穿过去。电子对穿过势垒可以在零电压下进行，所以约瑟夫森效应与单电子隧道效应不同，可用实验对它们加以鉴别。零电压下的约瑟夫森效应又称直流约瑟夫森效应。此外还有交流约瑟夫森效应。它们具有共同的特点，都是双电子隧道效应。 我们可以把基本粒子按其自旋的大小分为两类：一类自旋为半整数，称为费密子，例如电子、质子、中子、它们的自旋都是1/2，为半整数；另一类自旋为整数，称为玻色子，例如，光子自旋为1，电子对的自旋为零，故它们都是玻色子。电子对成为玻色子后不再遵从泡利不相容原理，即同一能级上容纳的玻色子数不受任何限制。所以在零压下，电子对可以通过势垒。图3-17和图3-18表示零电压下电子与电子对的不同行为。两个超导体中夹有一薄绝缘层的元件被称为约瑟夫森结（Josephson），利用约瑟夫森结可制成超导量子干涉仪（SQUID），用它测量磁感应强度能精确到10-7T，测电压精确到10-6V。在超导的应用部分，我们将向读者较详细地介绍SQUID的构造、原理及应用。
三、高温超导体的发现 上面讨论了超导的特性，在超导的诸多特性中，人们最感兴趣的是超导的临界温度。提高超导临界转变温度Tc，是科学家们努力追求的主要目标。这里有一张简表，记载着科学家们为此奋斗70年的漫长历史（见表3-1）。 从表中看到，自1911年出现第一个超导体水银到1973年出现合金超导体锗三铌，前后的时间长达62年，但临界温度TC总共只提高了20K左