材料结构与性能 超导ppt课件.ppt

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1、超导现象及其基本概念技术上的重大成就往往带来科学上的新发现。1908年荷兰物理学家H.K.Onners成功地获得了液氦，使得可以获得低达4.2K的低温技术。这样，他就利用这项技术试验金属在低温下时的电阻。三年后的1911年，他发现当Hg在液氦中温度下降到4.2K时，其电阻出现反常现象，迅速降低到无法检测的程度。这是人类第一次发现超导现象。超导现象和超导材料不久，昂尼斯又发现了其他几种金属也可进入“超导态”，如锡和铅。锡的转变温度为3.8K，铅的转变温度为6K。由于这两种金属的易加工特性，就可以在无电阻状态下进行种

2、种电子学试验。此后，人们对金属元素进行试验，发现铍、钛、锌、镓、锆、铝、锘等24种元素是超导体。从此，超导体的研究进入了一个崭新的阶段。基本概念材料的电阻随着温度的降低会发生降低，某些材料会出现当温度降低到某一程度时出现电阻突然消失的现象，我们称之为超导现象。人们将这种以零电阻为特征的材料状态称作为超导态。超导体从正常状态（电阻态）过渡到超导态（零电阻态）的转变称作正常态－超导态转变，转变时的温度TC称作这种超导体的临界温度。也就是说，零电阻和转变温度TC是超导体的第一特征。迈斯纳效应我们把处于超导态的超导体置于

3、一个不太强的磁场中，磁力线无法穿过超导体，超导体内的磁感应强度为零。这种现象称作超导体的完全抗磁性，这是超导体的第二特征。这种抗磁现象最早于1933年由W.Merssner和R.Ochenfeld做实验时发现，因而这种现象又称作迈斯纳效应。NNS降温降温加场加场S注：S表示超导态N表示正常态迈斯纳效应不过，当我们加大磁场强度时，可以破环超导态。这样。超导体在保持超导态不致于变为正常态时所能承受外加磁场的最大强度HC称作超导体的临界磁场HC(T)。临界磁场与温度有关，0K时的临界磁场HC(0)和HC(T)的关系为：

4、HC(T)＝HC(0)[1-(T/TC)2]在临界温度TC以下，超导态不至于被破坏而容许通过的最大电流称作临界电流IC。这三个参数TC、HC、IC是评价超导材料性能的重要指标，对理想的超导材料，这些参数越大越好。解释金属超导现象的重要理论是巴丁、库柏和施里弗（J.Bardeen,L.N.Cooper,J.R.Schrieffer）建立的电声作用形成库柏电子对的理论，简称BCS理论。超导现象的BCS理论库柏电子对形成示意库柏电子对的形成原理可用图来描述：金属晶体中的外层价电子处在带正电性的原子实组成的晶格环境中，带

5、负电的电子吸引原子实向它靠拢，在电子周围形成正电势密集的区域，它又吸引第二个电子，即电子通过格波声子相互作用形成电子对，称为“库柏电子对”。这种库柏电子对具有低于两个单独电子的能量，在晶格中运动没有任何阻力，因而产生超导性。格波电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中传播，这种波称为格波。声子格波是量子化的，其量子称为声子。形成格波的过程相当于电子发射出一个声子。处在超导态的电子，配成库柏对存在，配对的电子，其自旋方向相反，动

6、量的大小相等而方向相反，总动量为零。库柏对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。当温度大于临界温度时，热运动使库柏对分散为正常电子，超导态转为正常态。当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库柏对的结合能密度，所有库柏对都获得能量而被撤散，超导态转为正常态。两类超导体超导体可以依据它们在磁场中的磁化特性划分为两大类:第一类超导体只有一个临界磁场HC，超导态具有迈斯纳效应，表面层的超导电流维持维持体内完全抗磁

7、性。除Nb、V、Tc以外，其他超导元素都属于这一类。H0超导态正常态HC外加磁场第二类超导体有二个临界磁场HC1和HC2。当外加磁场H0＜HC1时，同第一类，超导态具有迈斯纳效应，体内没有磁感应线穿过；当HC1＜H0＜HC2时，处于混合态，这时体内有磁感应线通过，形成许多半径很小的圆柱形正常态，正常态周围是连通的超导圈。整个样品的周界仍有逆磁电流，就是在混合态也有逆磁性，又没有电阻。外加磁场强度达到HC2时，正常态区域扩大，超导区消失，整个金属变为正常态。金属铌属于典型的第二类超导体。下图给出了两类超导体的磁性特

8、征。HoHC1HC2HC超导态正常态混合态TCTHHC1HC2超导态混合态正常态超导态第二类超导体低温超导体我们将临界温度在液氦温度以下的超导体称为低温超导体。人们陆续发现了锡、铅等多种金属元素和许多合金以及化合物都具有超导现象，但临界温度一直很低（在液氦温度以下）。经过多年的努力，如今人们已经可以使大部分金属元素都具有超导电性。在采用了特殊技术后（如高压技术，低温下沉淀