《超导及其应用技术》word版

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1、超导及其应用技术超导及其应用技术2010年10月28日　　超导是超导电性的简称，它是指金属、合金或其它材料在低温条件下电阻变为零，电流通过时不会有任何损失的性质。当温度升高时，原有的超导态会变成正常的状态。超导现象是荷兰物理学家翁纳斯（H．K．Onnes，1853—1926年）首先发现的。翁纳斯在1908年首次把最后一个“永久气体”氦气液化，并得到了低于4K的低温。1911年他在测量一个固态汞样品的电阻与温度的关系时发现，当温度下降到4.2K附近时，样品的电阻突然减小到仪器无法觉察出的一个小值（当时约为1?1

2、0–5W）。由实验测出的汞的电阻率在4.2K附近的变化情况，该曲线表示在低于4.15K的温度下汞的电阻率为零。　　电阻率为零，即完全没有电阻的状态称为超导态。除了汞以外，以后又陆续发现有许多金属及合金在低温下也能转变成超导态，但它们的转变温度（或叫临界温度Tc）不同。表1列出了几种材料的转变温度。　　表1几种超导体利用超导体的持续电流可做一个很有趣的悬浮实验。将一个小磁棒丢入一个超导铅碗内，可看到小磁棒悬浮在铅碗内而不下落（图1）。这是由于电磁感应使铅碗表面感应出了持续电流。根据楞次定律，电流的磁场将对磁棒产

3、生斥力，磁棒越靠近铅碗，斥力就越大。最后这斥力可以大到足以抵消磁棒所受重力而使它悬浮在空中。　　图1超导铅碗上方悬浮着小磁棒　　超导体的电阻准确为零，因此一旦它内部产生电流后，只要保持超导状态不变，其电流就不会减小。这种电流称为持续电流。有一次，有人在超导铅环中激发了几百安培的电流，在持续两年半的时间内没有发现可观察到的电流变化。如果不是拆掉了维持低温的液氮装置，此电流可能持续到现在。当然，任何测量仪器的灵敏度都是有限的，测量都会有一定的误差，因而我们不可能证明超导态时的电阻严格地为零。但即使不是零，那也肯定

4、是非常小的—它的电阻率不会超过最好的正常导体的电阻率的10–15倍。具有持续电流的超导环能产生磁场，而且除了最初产生持久电流时需要输入一些能量外，它和永久磁体一样，维持这电流和它所产生的磁场，并不需要任何电源。这意味着利用超导体可以在只消耗少许能量的条件下获得很强的磁场。　　遗憾的是，强磁场对超导体有相反的作用，即强磁场可以破坏超导电性。例如，在绝对零度附近，0.041T的磁场就足以破坏汞的超导电性。接近临界温度时，甚至更弱的磁场也能破坏超导电性。破坏材料超导电性的最小磁场称为临界磁场，以Bc表示，Bc随温度

5、而改变。　　实验已表明，对于所有的超导体，Bc与T的关系可以近似地用抛物线公式　　表示，式中Bc(0)为绝对零度时的临界磁场。　　临界磁场的存在限制了超导体中能够通过的电流，例如在一根超导线中有电流通过时，这电流也在超导线中产生磁场。随着电流的增大，当它的磁场足够强时，这导线的超导电性就会被破坏。例如，在绝对零度附近，直径0.2cm的汞超导线，最大只允许通过200A的电流，电流再大，它将失去超导电性。对超导电性的这一限制，在设计超导磁体时必须加以考虑。我们知道，由于导体有电阻，所以为了在导体中产生恒定电流，就

6、需要在其中加电场。电阻越大，需要加的电场也就越强。对于超导体来说，由于它的电阻为零，即使在其中有电流产生，维持该电流也不需要加电场。这就是说，在超导体内部电场总为零。　　利用超导体内电场总是零这一点可以说明如何在超导体内激起持续电流。如图2（a）所示，用线吊起一个焊锡环（铅锡合金），先使其温度在临界温度以上，当把一个条形磁铁移近时，在环中激起了感应电流。但由于环有电阻，所以此电流很快就消失了，但环内留有磁通量F。然后，如图2（b）所示，将液氦容器上移，使焊锡环变成超导体。这对环内的磁通F不变，如果再移走磁铁，

7、合金环内的磁通量是不能改变的。若改变了，根据电磁感应定律，在环体内将产生电场，这和超导体内电场为零是矛盾的。因此，在磁铁移走的过程中，超导环内就会产生电流（图2(c)），它的大小自动地和F值相应。这个电流就是超导体中的持续电流。　　图2超导环中持续电流的产生　　由于超导体内部电场强度为零，根据电磁感应定律，它体内各处的磁通量也不能变化。由此可以进一步导出超导体内部的磁场为零。例如，当把一个超导体样品放入一磁场中时，在放入的过程中，由于穿过超导体样品的磁通量发生了变化，所以将在样品的表面产生感应电流（图3（a）

8、）。这电流将在超导体样品内部产生磁场。这磁场正好抵消外磁场，而使超导体内部磁场仍为零。在超导体的外部，超导体表面感应电流的磁场和原磁场的叠加将使合磁场的磁感线绕过超导体而发生弯曲（图3（b））。这种结果常说成是磁感线不能进入超导体。　　图3超导体样品放入磁场中　　不但把超导体移入磁场中时磁感线不能进入超导体，而且原来就在磁场中的超导体也会把磁场排斥到超导体之外。1933年迈斯纳（Meissner）和