高温 超导 电性

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1、高温超导电性一、超导的基本特性(1)零电阻零电阻是超导体的一个重要特性。超导体处于超导状态时，电阻完全消失，若用它组成闭合回路，一旦在回路中有电流，则回路中没有电能的消耗，不需要任何电源补充能量，电流可以持续存在，形成持久电流。因此超导体内部ρ→0，γ→∞。E=0，超导体是一个等势体。(2)临界磁场与临界电流密度1913年，昂尼斯发现，当超导铅线中的电流密度超过某一临界值jc时，铅线就转变为正常态。1914年，他从实验中发现，材料的超导状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，以Hc表示。一般说来，临界磁场与温度关系如下而临

2、界电流密度与温度关系为式中Hc(0)，jc(0)分别为T=0K时的临界磁场与临界电流密度。因此，超导态有三个临界条件：临界温度Tc，临界磁场Hc和临界电流密度jc，它们之间密切相关，我们可以用下面的三维相图表示它。超导态的临界参数(3)迈纳斯效应—完全抗磁性零电阻是超导体的一个基本特性，但超导体的完全抗磁性更为基本。是否转变为超导态，必须综合这两种测量结果，才能予以确定。如果将一超导体样品放入磁场中，由于样品的磁通量发生了变化，样品的表面产生感生电流，这电流将在样品内部产生磁场，完全抵消掉内部的外磁场，使超导体内部的磁场为零。根据公式和，由于超导体内部B=0，故χ

3、m=－1，所以超导体具有完全抗磁性。超导体与理想导体在抗磁性上是不同的。若在临界温度以上把超导样品放入磁场中，这时样品处于正常态，样品中有磁场存在。当维持磁场不变而降低温度，使其处于超导状态时，在超导体表面也产生电流，这电流在样品内部产生的磁场抵消了原来的磁场，使导体内部的磁感应强度为零。超导体内部的磁场总为零，这一现象称为迈纳斯效应。超导体的抗磁性可用下面的动画来演示，小球是用超导态的材料制成的，由于小球的抗磁性，小球被悬浮于空中，这就是所说的磁悬浮。动画磁悬浮下图是小磁铁悬浮在Ba-La-Cu-O超导体圆片（浸在液氮中）上方的照片。(4)约瑟夫森效应在两块超导

4、体之间夹一很薄的绝缘层，就形成一个超导—绝缘—超导结（S-I-S结）称为约瑟夫森结。将超导体的表面氧化，在氧化层上再镀上超导材料就制成了约瑟夫森结。1962年，英国牛津大学研究生约瑟夫森(B.D.Josphson)首先从理论上预言，电子对可以穿过两块超导金属间的绝缘层(1~3nm)，这一效应称为约瑟夫森效应，约瑟夫森因这方面的重要贡献，获得了1973年诺贝尔物理学奖。Sn-SnOx-Sn结的电流和电压关系约瑟夫森效应有直流和交流两种。当直流电通过约瑟夫森结时，只要电流小于临界电流Ic，结上电压为零，这时约瑟夫森结处于超导状态，有电流而无电压。当电流超过Ic时，结上

5、即出现一个有限的电压，这时结的状态转变为正常态，过渡到正常电子的隧道效应。这种约瑟夫森结能够承载直流超导电流的现象称为直流约瑟夫森效应。临界电流一般在几十微安到几十毫安之间，下图为约瑟夫森结的I—V特性曲线。如果在结上加一直流电压（电流大于临界电流），这时通过结有交频正弦电流出现，并辐射同样频率的电磁波，其频率与所施加的直流电压成正比，其关系式为式中，若V为几微伏，则频率在微波区，若V为几毫伏，则在远红外区。约瑟夫森结这种能在直流电压作用下，产生超导交变电流，从而辐射电磁波的特性称为交流约瑟夫森效应。如果用频率为υ的电磁波照射到约瑟夫森结，当改变通过结的电流时，则

6、结上的电压V会出现台阶的变化。电压突变值Vn和频率有如下的关系若以10GHz的微波进行照射，已观察到台阶数高于500，台阶间隔约为2.1µV。这说明约瑟夫森结上的电压是量子化的，这是一种宏观量子现象。由于频率可以精确测定，因此可以精确测定电压，用此可以作为电压的基准。国际计量委员会下属的电子咨询委员会(CCE)在1986年第17届会议上决定从1990年1月1日起以约瑟夫森效应的2e/h值来定义伏特单位，现已测得其误差为0.12×10-6。二、超导体的微观机制五、超导电性在工业上的应用超导的应用主要是利用超导的零电阻特性，完全抗磁性和约瑟夫森效应。下面介绍超导体的几

7、个应用方面。强磁场：由超导线圈做成的电铁体可以达到磁感强度为10T的强磁场，其重量比普通电磁铁小100多倍。强磁场在粒子加速器、核磁共振波谱仪、磁流体发电，受控热核反应，选矿，水的净化等方面都是必不可少的。此外，若用超导材料制成超导发电机，将大大提高发电机和电动机的功率，载流能力达104A/cm2，功率可达100万千瓦。输电和储能：由于超导体临界电流密度大，电阻为零，输送电力可以不必高压输送（500KV，750KV高压输送，虽电阻耗损减小，但其介质损耗大，效率下降），只要用地下管道送电，现已设计出“双层保温瓶”式超导电缆。应用超导电感线圈储存磁能，具有输出电流大的

8、特点，在激