课程（毕业）论文-超导现象及其应用

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1、超导现象及其应用摘要：超导技术作为一项先进的高新技术，越来越受人们的瞩目。本文简述了超导现象的发现历史，介绍了超导体的基木性质、临界参数、优点以及应用中存在的问题。由于其优越的特性，超导体在电子学、生物医学、交通运输、电力系统等多领域得到广泛应用。关键词：卡末林一一昂纳斯超导现象超导体当今社会日新月异，科技领域更是不断取得重大的突破。其中超导材料的研究取得了长足的发展，取得了多项令人骄傲的成绩。一、超导现象的发现历史1911年荷兰物理学家卡末林一一昂纳斯（H.K.Onnes）用液氮冷却水银线并通以几毫安的电流。在测量其端电

2、压时发现，当温度稍低于液氮的正常沸点（4.2K）左右时，水银线的电阻率突然由正常的剩余电阻率（根据固体物理理论，实际的金属材料由于存在杂质和缺陷对电子运动的散射，在温度趋向绝对零度吋，金属的电阻率将趋近一个定值，称为剩余电阻率。）［1］这说明“纯汞的电阻可以变为零，至少找不到与零的差异。”⑵这就是所谓的零电阻效应或超导电现象。昂纳斯把这种零电阻物质状态定名为超导态，而把电阻突然消失的温度称为超导转变温度或超导临界温度，用符号Tc表示。这实际上是人类第一次观察到的超导电性。昂纳斯的这一结果于1911年4月及5月先后以论文的形

3、式发表出来。二、超导体（一）、基木性质1.完全导电性（零电阻效应）当物质的温度下降到某一确定值Tc（临界温度）吋，物质的电阻率由有限值变为零的现象称为零电阻现象，也称为物质的完全导电性。超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关。⑶2.完全抗磁性（迈斯纳效应）迈斯纳（M.P.Meissner）和奥克森菲尔德（R.Ochsenfeld）为了验证超导体的磁性是否真的完全取决于完全导电性，把锡和铅的样品放入不太强的外磁场中冷却到临界温度Tc以下，使它变成超导态。他们发现原来进入样品中的外磁场完

4、全被排挤出来，这表明超导体内部的磁感应强度总是为零，即超导体内不允许有磁场存在，它表明超导体具有完全抗磁性。这一现象称为迈斯纳效应，即完全抗磁性[4]O1.约瑟夫森隧道效应能量在费米能级附近，动量等值反向和自旋相反的两个电子之间通过电子——声子相互作用产生的吸引力最大，它们就形成稳定的束缚态一一库柏电子对，简称库柏对(CooperPair)o由两片超导体中间夹一薄绝缘层构成的超导体器件称为超导隧道结或约瑟夫森结，也常称为SIS结。1962年约瑟夫森(B.D.Josephson)指出：当SIS结的绝缘层只有lnm左右时，在S

5、IS结屮除了由正常电子产生的隧道电流外，还会有由库柏对产生的隧道电流。这种由库柏对产生的隧道电流称为约瑟夫森隧道电流，库柏对的隧道效应就称为约瑟夫森效应⑸。2.同位素效应1950年5月，美国国家标准局的麦克斯卫(EmanwelMaxwell)和鲁特格斯大学的雷诺尔(C.A.Reynolols)等人在研究汞的超导转变温度时发现超导体的Tc值与其同位素质量有关，即Tc*1/Mp(p~0.5)o1950年5月18口，他们的论文发表于

6、本质起到了决定性的作用⑹。(二)、临界参数1•临界温度当电流、磁场及其他外部条件(如应力、辅照等)保持为零或不影响转变温度测量的足够低值时，超导体呈现超导态的最高温度，这个温度称为临界温度，用符号Tc表示。临界温度Tc是一个由物质本身内部性质确定的、局域的内禀参量⑺。2.临界磁场在一定温度下的超导态也可被足够强的磁场破坏。当H>Hc时，超导态将转变为正常态。He称为超导体的临界磁场，它是温度的函数。3.临界电流如果改变流过超导体的直流电流，当电流强度超过某一临界值时，即I>Ic时，超导体的超导态将受到破坏而回到常导态。Ic

7、称为临界电流。(三)、超导体的分类依照磁化强度与外加磁场的不同，可以把超导体分为：第I类超导体和第II类超导体。第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镣、锡、锢等。该类超导体的熔点较低，质地较软，亦被称为“软超导体”。第I类超导体由正常态过渡到超导态时没有中间态，只有一个临界磁场He。第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体由止常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）。混合态中有磁通线存在。有两个临界磁场:下临界磁场Hci和上临界磁场Hc2o第II类超导体又可以分为：理想第II类

8、超导体和非理想第II类超导体。在实际上，真正适合于实际应用的材料是非理想第II类超导体。三、超导体的优点超导体与普通导体相比，有以下显著优点：（一）、超导体内没有电阻（或者说电阻很小），几乎没有能量损耗，在电子仪器、仪表中用超导体代替普通导体可以大大节约能源；（二）、由于超导体体内没有电阻（或者说电阻很