超导材料的电磁特性

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1、超导材料的电磁特性近年来，高温超导材料的研究引起人们的广泛关注。YBaCuO、BiSrCaCuO等系列的超导转变温度Tc，超导电流等参数有了很大提高。高温超导线材与薄膜在应用方面也有了很大的突破。为了让学生及时了解和接触一些目前处于科学前沿的东西，将“超导材料的电磁特性”实验引入到近代物理实验课程当中。一、实验目的1.通过做本实验使学生对当今世界广泛关注的新型超导材料YBaCuO、BiSrCaCuO有初步的了解。2.测量超导材料电阻率随温度变化的特性曲线。3.了解超导材料的迈斯纳效应。4.了解超导材料的一些应用。二、实验原理1、超导转变温度和迈斯纳效应某些材料被冷却到极低温度时呈现出异乎寻常

2、的电、磁综合特性。所谓极低温度是由荷兰物理学家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能达到的极低温度。3年后,1911年他发现纯汞(Hg)的电阻在这样低的温度下(约4.2K),小到了无法测量的程度。在这一温度下,汞的电阻不是平稳地下降,而是急剧下降,当低于这一温度时,汞便完全不显示电阻了,见图8-3-1。昂尼斯认识到,汞在4.2K以下时便进入一种新的状态,这种新的状态称为“超导态”。相应的物质(如Hg)称为超导体,后来发现许多金属及其化合物都具有超导电性。超导体失去电阻的温度称为超导转变温度或临界温度,用Tc表示。至1973年人们发现超导转变温度最高的是Nb3Ge,临界温度为23

3、K,从此以后一直没有进展。1986年1月IBM公司在瑞士苏黎士实验室的两名研究员(Bednorz和Műller)发现了30K的超导材料。这种材料是一种氧化铜和钇加少量钡和锶、或钙的陶瓷材料,以此为基础,在国际上开始了高临界温度超导材料的研究热潮，1986年底便把超导材料的转变温度提高到了88K,首次突破使用液氮温度(77K)的大关。这两名研究员为此获得1987年诺贝尔物理奖。迈斯纳和奥斯菲尔德在1933年研究处于超导态样品体内的磁场时发现，不论是先降温使样品进入超导态再加磁场，还是先加磁场再降温，当样品处于超导态时，体内的磁感应强度总是等于零，磁感应线完全被排出体外。即B=B0+μ0M=0。

4、由此求得金属在超导电状态的磁化率为χ=μ0M/B0=1,是负值。以上B0是外加磁场H在真空中的磁感应强度。所以说,超导体是一个“完全抗磁体”，超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。意义：（1）由于超导态的完全抗磁性与怎样进入超导态的历史无关，说明超导态是一个热力学平衡态。（2）超导态的完全抗磁性是独立于零电阻特性的另一特性，不可能从零电阻特性派生出完全抗磁性。超导态不是普通意义下的理想导体，完全抗磁性和零电阻特性是超导态两个独立的基本特性。2、关于超导态现象的两种唯象模型1)、二流体模型二流体模型是1934年为了解释超导体的热力学特性提出来的。该模型认为超导体内的传导电子可分成两类：正常的传导

5、电子和超导电子(或超流电子)。正常传导电子就是普遍意义下的自由电子，超导电子则是特殊状态下的电子，超导电子处在一种“凝聚”状态，它们聚集在一最低能量状态，其特点是不发生散射。该模型认为:两类电子占据同一体积，互相渗透，彼此独立地运动，超导电子浓度关系的经验定律为ns=n[1-(T/Tc)4]式中n是正常电子和超导电子的总浓度。ns为超导电子浓度。当T=0K时，ns=n，所有电子都变成超导电子；随着温度的升高，超导电子减少；当T=Tc时,ns=0，所有电子都变成正常电子。可把ns/n作为有序化程度的一个量度,称之为有序参量或有序度。二流体模型可以说明零电阻特性。当T

6、们不被散射，因而具有无限大的电导率；金属内不能存在电场，正常电子不负载电流，从而导致整个样品显示无限大的电导率。2)、伦敦方程（留作自学）超导体的分类：临界磁场：实验表明，磁场可以破坏超导性。把处于超导态(T

7、性和零电阻性；有两个临界磁场的称为第二类超导体，它们在THc2时处于正常态，当Hc1(T)