功能材料基础与应用 课件（化工） 2.3 超导体的基本理论.ppt

2.3 超导体的基本理论 发生这种转变现象的温度称为临界温度。材料失去电阻后的状态称为超导态，而材料有电阻的状态就称为正常态。 水银在4.2K时电阻突变 1911年，荷兰莱登大学卡梅林·昂纳斯测量水银电阻时发现4.2K附近电阻突然跳跃式下降到仪器无法测量，变化超过104倍。将这种在一定温度下金属突然失去电阻的现象称为超导现象或超导电性。 2.3.1 超导体的基本物理特征 （1）零电阻效应 当超导体温度降到某一数值时电阻突然消失，这就是超导体零电阻效应。物质产生电阻与晶格振动对电子的散射和内部晶格缺陷及杂质原子对电子的散射有关。高温时物质电阻以前者贡献为主；低温时不纯金属以杂质贡献为主。要验证低温金属电阻与温度的关系，要求金属越纯越好。昂纳斯进行试验用到的纯物质就是当时能得到最纯的金属-Hg，他发现了超导现象。后来，物理学家用最精确方法也测不出超导态有任何电阻，确认零电阻效应是任何超导体的一个基本物理特征。 （2）迈斯纳效应 1933年，德国物理学家迈斯纳和奥菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，不论是先降温后加磁场，还是先加磁场而后降温，只要锡球过渡到了超导态，超导体内的磁通线似乎一下子被排斥出去，保持体内磁感应强度等于零，这一性质被称为完全抗磁性或迈纳斯效应。 迈斯纳效应 超导体的迈纳斯效应指明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导电性其实是一种宏观的量子现象。仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈纳斯效应。同样，用迈纳斯效应也不能描述零电阻现象。 因此，迈纳斯效应和零电阻效应是超导态的两个独立的基本物理属性，衡量一种材料是否具有超导电性，必须看是否同时具有零电阻效应和迈纳斯效应。 2.3.2 超导体的临界参数 （1）临界温度 超导体从正常态转变为超导态的温度称为临界温度，又称超导转变温度，用Tc表示。 当TTc时，超导体呈正常态； 当TTc时，超导体由正常态转变为超导态。要实现超导材料的大规模实际应用，希望临界温度越高越好。 由于材料的组织结构不同，使用不同材料的临界温度跨越了不同的温度区域（如高温超导材料）。图为临界温度参数与电阻的相互关系。临界温度可出现4个临界温度参数： 起始转变温度Tc（on set），即材料开始偏离正常态线性关系时的温度。 零电阻温度Tc（n=0），即理论材料电阻R=0时温度。 转变温度宽度?Tc，即（1/10~9/10）Rn（Rn为起始转变时，材料的电阻值）对应的温度区域宽度。其宽度越窄，说明材料的品质越好。 中间临界温度Tc(mid)，即1/2Rn对应的温度值。对于一般常规超导材料，这一温度值有时可视为临界温度。 （2）临界磁场 材料的超导电性也可以被外加磁场所破坏，即有磁力线穿入超导体内，材料就从超导态转变为正常态。一般将可以破坏超导态所需的最小磁场称为临界磁场，用Hc表示。不同的超导体Hc不同，并且是温度的函数，即： （T≤Tc） H0为绝对零度时的临界磁场，Tc为临界温度。由此可见，当T=Tc时，Hc=0，换句话说，超导体临界温度是在无磁场下超导体从正常态过渡到超导态的温度。随着温度的下降，Hc升高，到绝对零度时达到最高。 需要指出的是Hc还与材料的性质有关，不同的材料其Hc不同。因此，根据在磁场中的不同行为，超导体可以被分为两类，即第一类超导体，在Hc以下显示超导性，而当H Hc，便立即转变为正常态。第二类超导体表现出来的行为与第一类超导体截然不同，它有两个临界磁场，即下临界磁场和上临界磁场，分别用Hc1和Hc2表示。在TTc时：当H Hc1时，与第一类超导体相同，表现出完全抗磁性；当Hc1 HHc2时，第二类超导体处于超导态与正常态的混合状态；当H＞Hc2时，超导部分消失，超导体转为正常态。图为第二类超导体的磁化曲线。 第二类超导体的磁化曲线 一般来说，第二类超导体的Hc1较小，Hc2则比Hc1高一个数量级，并且大部分第二类超导体的Hc2比第一类超导体的Hc要高得多。 （3）临界电流 通过超导体的电流也会破坏超导态，当电流超过某一临界值时，超导体就出现电阻。将产生临界磁场的电流或电流密度，即超导状态允许流动的最大电流或电流密度称为临界电流或临界电流密度，用Ic或Jc表示。这个现象可以从磁场破坏超导电性来说明。在半径为R的超导线中通过电流I时，在超导线表面上产生的磁场H等于： 如果I很大，使H超过了Hc，那么超导线的超导电性便被破坏了，由此得到： I0为绝对零度时的临界电流。临界电流不仅是温度的函数，而且与磁场有着密切的关系。对于