大学物理15-14 超导.pptVIP

上页 下页 返回 退出 上页 下页 返回 退出 超导电现象 某些材料在温度低于某度时，电阻突然零的现象。具有超导电性的材料称为超导体，电阻降为零度称为转变温度或临界温度。 R/R0 4.00 4.10 4.20 4.30 4.40 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 T/K 临界温度 低温下汞的电阻温度关系 一、超导现象 §15-14 超导体 对于氧化物超导体，其转变温度范围较宽。 0.9R0 0.5R0 0.1R0 R0 Te Tm Ts 氧化物超导体的转变温度 电阻从起始转变处下降到一半时对应的温度定义为转变温度。 转变宽度 高温超导体的电子显微镜图像 1.零电阻 超导体处于超导态时电阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去。 2.临界磁场与临界电流 材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场。 二、超导体的主要特性 临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流。 三个临界条件：临界温度、临界磁场、临界电流 正常态 超导态 第Ⅰ类超导体 正常态 迈斯纳态 第Ⅱ类超导体 混合态 3.迈斯纳效应——完全抗磁性 在使样品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零。 常态 降温 加场 超导 超导 加场 常态 降温 4.同位素效应 同位素的质量越大，转变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的离子晶格有关。 1957年巴丁（J.Bardeen)、库珀（L.V.Cooper)和施里弗（J.R.Schrieffer)提出一个超导电性的微观理论，称为BCS理论。 从正常态到超导态的转变非常迅速，因此人们设想这种变化应该是电子态的转变，因电子的质量小、反应快；但是同位素效应又说明这种转变与晶格的质量有一定关系。 三、BCS理论 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。 库珀对 传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子通过交换声子产生了间接的吸引作用。对于某些材料，在一定的低温条件下，交换声子的两个电子可以束缚在一起形成一个电子对，称为库珀对。 电子A 声子 电子B 电子A 电子B （声子） BCS理论 处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零。库珀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，热运动使库珀对分散为正常电子，超导态转为正常态。 当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被拆散，超导态转为正常态。 1. 用超导材料制造电缆可实现无损耗输电。 2. 用超导材料制造电机，可以大大提高效率。 3. 用超导线圈制造电磁体 可以得到很强的磁场，可 应用于受控核聚变、高能 加速器、磁流体发电、磁 悬浮列车、核磁共振成像 装置等。 磁悬浮列车 四、超导电性的应用 C60是由60个碳原子构成的空心大分子，外形酷似足球。 固态C60类似于Ga-As的半导体，在其中掺入碱金属，它将转变为超导体。 有科学家预言，如能制成C540，它将可能成为室温超导体。 C60的示意图 碳60分子（C60）