课件下载-材料的超导电性.pdf

《课件下载-材料的超导电性.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第四篇材料的超导电性第一章超导电性现象§1超电导现象超导电性是指在一定的温度下一些材料所出现的特有的电磁特性的称谓。超导现象的发现首先应归因于荷兰物理学家H.K.Onnes(1853-1926)，见图1。Onnes在任莱顿大学物理学教授和莱顿大学物理学实验室的负责人后，所面临的一个问题是如何确定该实验室的科研主攻方向。当时，物理学正飞速发展，Onnes考虑到两个方向，一个是物质的状态方程，一个是电磁学特性。他决定主要应放在低温物理的研究上。要进行这一研究，首要条件就是低温的获得。大自然中的千里冰封，万里雪飘，雪球激战，白雪老人…，在1983年7月21日：南极的温度降至

2、-89.2℃，但是其温度仍不够低。物理学家的一个任务是向更低的温度进军，以便了解低温下的物性是如何变化的。于是在1895年空气被液化，其液态温度为-192℃（81K），1898年氢气被液化，温度为-253℃（20K）。经过多年的努力之后，1908年7月10日，Onnes终于得到了液He，其温度为4.25K。有了这一条件后就可以对物性进行研究，1911年Onnes发现了超导电性。§1.1零电阻现象1900年前后，在没有液He时，对在0K附近的电阻率是如何变化的并不清楚，众说纷纭。在当时主要有三种观点争论不休。一种观点认为当温度降到一定程度后，电阻将下降到一定值；第二种观

3、点认为应趋于零。而Kelvin（1902提出）的观点是，认为随着温度降低，金属的电阻在达到一极小值后，会由于电子凝聚金属原子上而变为无限大，最初Onnes相信Kelvin的观点，如图2所示。图1Kammerlingh_Onnes图2低温下电阻率变化的预测。1201911年，Onnes测量了金（Au）和铂（Pt）在液氦温度下的电阻，发现并不是按照Kelvin所设想的那样。并随着样品纯度的变化而变化。后来用更纯的金属来进行实验，由于水银比其他金属更容易提纯，所以Onnes用Hg作为实验对象，其结果是令人吃惊的。他发现Hg的电阻在4.2K左右突然消失，如图3所示。Onnes

4、定义为超电导现象，常称之为超导。实际上，现在我们都知道，由于晶格有缺陷存在，使得电子的运动受到散射而产生电阻。这种晶格的不完整性可以是缺陷如位错、杂质等，另一种引起电子散射的是晶格热振动，随着温度的降低，这种热振动减小，对电子的散射减小，所以电阻低。对于理想的导体，在T→0时，电阻应为零。而超导现象则对应一种全新的状态。图3Hg电阻—温度变化曲线。§2.2临界磁场HcOnnes发现超导体后，就立刻想做一个没有耗损的研究，他发现（1914年）用一磁场加到超导体之后，当磁场达到某一值时，超导体就出现了电阻，在T

5、场。在大多数情况下，HC和T的关系可用下式来描述。[2]H=H1−(T/T)（1）c0c121图4HC和T的关系示意图。对于每种实际的超导体，HC与T的更精确的关系可用T的多项式表示。但我们必须注意方程式的物理意义。（1）由理论关系式给出理论与实验的拟合。（2）由实验数据找出经验规律，这里应拟合的更好。§2.3超导态的磁学性能在1933年以前，人们对超导基本特性的认识都是片面的。同时也存在着两种争论不休的观点：一种认为材料发生超导的时候体系的电子自由程发生了突变，即电子的自由程变为无限大，电子在输运过程中被认为没有阻力，从而电阻为零；而另一种人们一直比较普遍地接受的观

6、点认为，零电阻是超导体的最本质的性质，基本上把超导体认为理想导体来看，但是对超导体磁性质的认识则很少。下面我们来分析理想导体的磁性。1、理想导体的磁性：在超导体的抗磁性发现以前，人们一直认为在电阻为零时体系进入了理想导体状态。在理想的导体中，在稳恒情况下，由于电阻率ρ=0，则电导率σ=∞,根据欧姆定理，电流密度为：j=σE（2）因此，要使得j为有限值，只有E=0。又：由Faraday感应定律我们知道，随时间变化的磁场在其周围产生了一种电场，（设磁导率μ=1）,则：1∂B=−∇×E（3）c∂t可得122B=B0（4）由此得出结论：在完全理想的导体中不可能有随时间变化的磁

7、场，即原有的磁通量不会消失也不会增加，如图5所示：加场降温去场T≤Tc降温加场去场T≤Tc图5理想导体中体内的磁通分布与加场的历史有关。如何理解理想导体无阻时体内的磁场保持不变？我们知道，在稳恒情况下，体内的E=0。所以当外场改变时，根据愣次定律，在材料表面便感应出一个感生电流，感应电流具有这样的方向，就是感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，即抵消外磁场的变化。而这个感生电流密度j不受到电场的作用，同时材料又是无阻的，所以这个电流不消失也不变化，永远能保持着材料内的磁场不变。由于有持续电流的存在，在理想导体中，材料内部的磁场不随时间变