超导的原理与应用

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1、超导材料的基本磁性特点1.超导材料1.1超导材料的发现及简介1908年，荷兰莱登实验室在昂尼斯（KamerlinghOnnes）的指导下，经过长期的努力，首次将氨液化，获得了4.2K的低温。随后在1911年，他在研究水银的低温电阻随温度的变化时发现水银的电阻R在4.2K附近突然降到了零。如图1-1所示。昂纳斯把这种电阻突然消失的状态称之为超导态。此后，他们又发现其他许多金属也具有超导现象，他们把这种能随温度降低而进入超导态的材料叫做超导材料，也叫做超导体。很多物质都是超导材料。在元素周期表中，常压下具有超导电性的

2、就有26个，如：、、、、、、等，有的元素在常压下不能成为超导体，但在高压下就能进入超导态，如：、等（见附表1-1）。材料名称Tc（开）材料名称Tc(开)9.518.11118.83.4-7.323.28.516.814.717表1.1-1超导合金和超导化合物的转变温度13除此之外，还有一些金属元素的合金，化合物也能呈现超导电性，称之为合金超导体和化合物超导体。超导合金以、为代表，超导化合物以、为代表。他们的见表1.1-1。迄今为止，具有超导性的元素、化合物以有数千种。特别是近20年来，高温氧化物超导体的发现，有使

3、超导体的类属增加了成千上万个，表1.1-2列出了一些主要的高温氧化物超导体及其。材料名称(开)9085110材料名称(开)125136表1.1-2高温氧化物超导体的超导转变温度2.超导材料的基本磁性特点2.1临界磁场现以一圆柱形（长度比直径大的多，可近似的看为无限长）超导体为例。降低温度到以下，再加一与圆柱体平行的外磁场。实验表明，在低于样品的任一确定温度下，当外加磁场强度小于某一确定数值时，超导体具有零电阻。当大于时，电阻突然出现超导态被破坏而转变为正常态。我们称为超导体的临界磁场。临界磁场是温度的函数，记为。

4、临界磁场是标志一超导体性质的重要物理量，不同超导体的-曲线都可近似的用下列公式表示(2.1-1)其中是=0K时超导体的临界磁场（通常记为H0）。从式（2.1-1）可看出，若已知及两参量，就可求出在其他温度（<）下的临界磁场。引入约化物理量=/,h=/,于是（2.1-1）式可以写为（2.1-2）13由于超导态是一种物相，而正常态是另一种物相，-的分界图就是超导体的一种像图，如图2-1所示。在图中，阴影区域的任一点P代表的H、T下的物质处于超导态，在非阴影区域的则为正常态。如图P点箭头所示的，在一定温度下，增大磁场可

5、使超导体从超导态进入正常态；在一定磁场强度下，提高温度也可使之进入正常态。也可以像图中斜箭头那样，同时改变温度和磁场强度，使之由超导态变为正常态。需要指出的是，类超导体只有一个临界磁场，而类超导体除了外，还有第一临界磁场，第二临界磁场。2.2迈斯纳（Meissner）效应1933年，迈斯纳发现超导体的另一个重要电磁性质：超导体内部的磁感应强度为零，即，与超导体所经过的历史无关。超导体的迈斯纳效应是独立于零电阻性的重要特性，它表示超导体不能简单的看作通常导体当电导率时的极限。因为通常导体有欧姆定律,当而为有限时，，

6、由麦克斯韦方程（2.2-1）因而一般导致为一与时间无关的量，但却不能导出被排出超导体外的结论。现在用图像13来说明。图2.2从（a）到（b）表示在无外加磁场的情况下，经冷却使样品变为完全导体。（c）的温度与（b）相同，但加上了外磁场。由于在完全导体中磁感应通量不可能改变，所以这时完全导体内仍然如情况（b）一样没有磁通分布，磁通线绕样品周围而过。情况（d）是把外加磁场撤掉了，此时完全导体中还是没有磁场。另一个例子如图2.3所示，其中（a）到（b）表示对正常导体加了外磁场，磁通线穿过正常导体内部。（c）表示经降温后该

7、样品已转为完全导体。由于完全导体的磁性质，内部的磁通分布未变。图2.3（d）是去掉外磁场后的情况。尽管外磁通线没有了，但由于完全导体表面感生的无阻电流，完全导体还保持着穿过其体内的磁通线。值得注意的是，以图2.2（d）和图2.3（d）相比，它们处于同样的温度和磁场下，但样品的磁化状态不同，图2.2（c）和图2.3（c）也是如此。由此可见，在给定条件（如温度和外磁场）下，完全导体的状态并不是唯一的，而是与其历史（途径）有关。图2.2完全导体的磁化性质1图2.3完全导体的磁化性质2完全导体的上述磁性质必然产生滞后效应

8、。图2.4表示一长圆柱体完全导体的磁化情况。图中A点表示零磁场下的完全导体。当沿圆柱体轴线加一均匀外磁场，并使外加磁场强度H等于临界磁场（图中B点）时，样品电阻恢复了，这时样品的表面电流衰减以至消失。此后样品成为正常导体，其体内磁感应强度=()，如图中CE线所示。当外加磁场再减小到13时，样品又失去电阻，变为完全导体。此时，完全导体内部将保持他失去电阻时的磁感应强度=（图