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9.1 超导电性的实验现象 1911年，荷兰物理学家K.奥涅斯（H.K.Onnes）在研究各种金属在低温下电阻率的变化时，发现当汞的温度降低到4.2 K左右时，汞的电阻陡然下降；低于这个温度时，汞的电阻完全消失。从开始下降到完全消失是在0.05 K的温度间隔内完成的，如图9.1.1（a）所示 。 临界温度TC是物质常数，同一种材料在相同的条件下有确定的值 例如汞的，铅的，与材料的杂质无关。但杂质的存在将使转变温度区域增宽，如图9.1.1（b）所示。 9.1.2 完全抗磁体 ——迈斯纳效应 迈斯纳(Meissner)和奥斯费尔德(Ochsenfeld)1933年在研究处于超导态样品体内的磁场时发现；无论是先降温使样品进入超导态再加外磁场，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B均为零，磁感应线完全被排出体外。超导体总有 或者 (9.1.1) 也就是说超导体具有完全抗磁体，其磁化率 这称之为迈纳斯效应，如图9.1.2所示。 由迈纳斯效应，可对超导电现象得出两个有意义的结论： （1） 由于超导态的完全抗磁性与怎样进入超导态的历程无关，因而超导态是一热力学平衡态。 （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。这是因为若把超导态看成理想导体，其电导率 ，由欧姆定律 ，要保持电流密度j 为有限制，必须有 ，根据麦克斯韦方程 可知，在超导体内应有  实验发现，超导电现象除了临界温度参量外，还有两个临界参量 : 1. 临界磁场 实验表明，磁场可以破坏超导电性。把处于超导态 的样品置于磁场中，当磁场大于某一临界值 时，样品将恢复到正常态。称这个保持超导态的最小磁场 为临界磁场。 在磁场中要保持超导态，必须同时满足 及 实验表明 与温度有关，其函数关系可由如下经验公式描述： 按照临界磁场 的数目，可把超导体分为两类： ① 只有一个临界磁场的，称为第一类超导体。第一类超导体在超导态具有完全抗磁性和零电阻性。 ② 有两个临界磁场的，称为第二类超导体。对第二类超导体，当 时，处于超导态，当 时，处于正常态；当 时，处于一种混合状态，在此态中具有零电阻特性，但不具备完全抗磁性，如图9.1.3（b）所示。由于第二类超导体有较高的 ，故有更高的实用价值。 2. 临界电流 临界磁场并不要求一定是外加磁场。超导电流本身产生的磁场也会破坏超导电态。当超导电流足够大，以致它所产生的磁场超过 时，也要导致体系回到正常态。因此超导体中的允许电流也是有一个极限，称之为临界电流 ，其温度的关系是 * * 第9章 超导电性 超导电性自1911年以来，由于它奇特的现象和诱人的应用前景，一直是固体物理学最活跃的领域之一。经过科学家们80多年的努力，无论是在超导材料的研制还是在超导机制的理论探索上，都取得了长足的进展，但是至今人们对超导电性的认识仍不完善，对超导电性的认识过程远未完结。 9.1.1 零电阻 9.1.1（a）汞在低温下的电阻 这种在低温下发生的零电阻现象，被称为物质的超导电性 ，具有超导电性的材料称为超导体。 实验发现，这种现象是可逆的，即当温度回升到4.2K以上时，汞的电阻又恢复为正常值。即电阻仅是温度的函数，与过程无关。 奥涅斯认为：在一定温度下电阻消失，表明材料进入了一种新的状态，称之为超导态。发生电阻消失的温度，称为超导转变温度或临界温度 。温度高于临界温度时，材料处于人们所熟悉的正常态；而低于临界温度时，材料进入一种新的完全不同的状态，可把这种转变看成是一种相变。 9.1.1（b）锡的超导转变 常用的观察超导电现象的方法 在用超导材料制成的环形回路里激发一电流，并通过测量电流的磁场以确定电流的变化。正常情况下，电流将在10-12 s内衰减掉。但在超导态，电流可以长期持续下去而无衰减。最长的实践持续了3年，尚未发现电流的任何衰减。由此可求得电阻率的上限小于10-26Ω·cm，所以实际上可看成是零电阻。很自然可把超导体看成是电导率无限大的理想导体，其内部电场