讲座超导体的电磁性质 超导现象及其实验事实 >零电阻现象 >完全抗磁性迈斯纳效应 >临界磁场和临界电流 >同位素效应 >约瑟夫森效应 >各种超导材料简介
讲座 超导体的电磁性质 ——超导现象及其实验事实
超导现象的发现和研 ■自1911年卡末林昂尼斯( Kamer ling h Onnes)首次发现超导电现象起直至今日 超导电性问题引起了人们极大的兴趣, 门新兴的物理学科超导物理学由此诞 生。90年多来,该领域的研究获得了一次 又一次的重大进展,有多项研究成果获诺 贝尔物理学奖。超导发展大致经历了以下 三个阶段 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 n 自1911年卡末林.昂尼斯（Kamer lingh Onnes）首次发现超导电现象起直至今日， 超导电性问题引起了人们极大的兴趣， 一 门新兴的物理学科——超导物理学由此诞 生。90年多来，该领域的研究获得了一次 又一次的重大进展，有多项研究成果获诺 贝尔物理学奖。超导发展大致经历了以下 三个阶段：
人类对超导电性的基本探索和认 识阶段191年1957年 昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研 究而获1913年诺贝尔物理学奖 超导微观理论—BCS理论(1957年) ■巴丁( Bardeen) ■库柏(LN. Cooper) ■施瑞弗( J.R. Schrieffer) ■获1972年诺贝尔物理学奖 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 人类对超导电性的基本探索和认 识阶段 1911年——1957年 n 昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研 究而获1913年诺贝尔物理学奖 n 超导微观理论——BCS 理论（ 1957年） n 巴丁（J.Bardeen） n 库柏(L.N.Cooper) n 施瑞弗（J.R.Schrieffer） n 获1972年诺贝尔物理学奖
人类对超导技术应用的准备阶段 1958年—1986年 在本世纪60年代达到高峰,主要有四大方面发展 实用超导材料的发展; 超导电子器件的发展; ■大量技术应用的实验室初探; 千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料 1962年约瑟夫森( Josephson)发现的超导电子 对隧道效应—约瑟夫森效应使他与江崎玲於内 ( Leo esaki)贾埃沃( Ivar. gi sleever)分享 1973年的诺贝尔物理学奖—超导电子学(超导 量子电子学)兴起 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 人类对超导技术应用的准备阶段 1958年——1986年 n 在本世纪60年代达到高峰 ，主要有四大方面发展 n 实用超导材料的发展； n 超导电子器件的发展； n 大量技术应用的实验室初探； n 千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料 n 1962年约瑟夫森（Josephson）发现的超导电子 对隧道效应——约瑟夫森效应使他与江崎玲於内 （Leo Esaki）贾埃沃（Ivar.Giaever）分享了 1973年的诺贝尔物理学奖 ——超导电子学（超导 量子电子学）兴起
发现了高温铜氧化物超导体,揭开了人类 对超导技术的开发的序幕1985年 已故超导材料权威 Matthias曾讲过:“如能 在常温下,例如300K左右实现超导电性,则 现代文明的一切技术都将发生变化。” ■贝德诺兹( Bednorz)和缪勒( Muller)因此 获得了1987年的诺贝尔物理学奖 人们公认“室温超导电材料”和“高温超导 理论”是诺贝尔奖级的问题 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 发现了高温铜氧化物超导体，揭开了人类 对超导技术的开发的序幕 1985年—— n 已故超导材料权威Matthias曾讲过： “如能 在常温下，例如300 K左右实现超导电性，则 现代文明的一切技术都将发生变化。 ” n 贝德诺兹（Bednorz）和缪勒（Muller）因此 获得了1987年的诺贝尔物理学奖。 n 人们公认“室温超导电材料”和“高温超导 理论”是诺贝尔奖级的问题
零电阻现象 低温的实现是研究超导的基础 1895年“永久气体”(空气)被液化,液化 点-192C—8115K 1895年在大气中发现氦气; 1898年杜瓦( Dewar)氢气液化,液化点 253C 20.15K 1908年,由卡末林昂尼斯( Kamer ling Onnes)领导的荷兰莱登实验室完成了氦气 液化的实验,液化点-268°C-425K 此后,莱登实验室利用减压降温法获得了 425K—1.15K的低温 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 零电阻现象 n 低温的实现是研究超导的基础 n 1895年 “永久气体”（空气）被液化，液化 点-192 ºC——81.15 ºK； n 1895年 在大气中发现氦气； n 1898年 杜瓦（ Dewar） 氢气液化，液化点 - 253 ºC——20.15 ºK n 1908年，由卡末林.昂尼斯（Kamer lingh Onnes）领导的荷兰莱登实验室完成了氦气 液化的实验，液化点-268 ºC—4.25 ºK n 此后，莱登实验室利用减压降温法获得了 4.25 º K—1.15 ºK的低温
零电阻现象 物质在低温下会出现什么现象? 19H1年卡末林昂尼斯发现,在 42K下,Hg电阻突然消失 42K下,汞电阻比从1/500下降到 <10,这个下降是突然的 莱登实验室估计,1.5K下,汞电 阻比<109 0.0015 Hg 昂尼斯指出:在4.2K以下,汞进 入了一个新的物态,在这新物态 c.00J0 中汞的电阻实际上为零 00005 现代超导重力仪的观测表明,超 <106 导态即使有电阻也必定小于108, 4.004.10.4204.304.40450 远远小于正常金属迄今所能达到 图1-2 的最低电阻率—零电阻现象。纵坐标为电阻比,横坐标为温度 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 零电阻现象 n 物质在低温下会出现什么现象？ n 1911年卡末林.昂尼斯发现，在 4.2 ºK下，Hg电阻突然消失 n 4.2ºK下，汞电阻比从1/500下降到 <10-6 ，这个下降是突然的 n 莱登实验室估计，1.5ºK下，汞电 阻比<10 -9 n 昂尼斯指出：在4.2ºK以下，汞进 入了一个新的物态，在这新物态 中汞的电阻实际上为零 n 现代超导重力仪的观测表明，超 导态即使有电阻也必定小于10 -28 ， 远远小于正常金属迄今所能达到 的最低电阻率 —— 零电阻现象。 纵坐标为电阻比，横坐标为温度
各种名词 ■超导态:显示出超导电性质的物质状态 ■超导体:具有上述超导特性的物体 超导转变温度(临界温度): 物质在低温下,其电阻突然转变为零的温度,用T表 示,Tc也叫转变温度。温度高于Tc,超导体和一般金 属一样有电阻,称为正常态 实验发现除了汞外有几十种元素、数千种合金和 化合物都具有超导性。但在超导体发现以后的漫 长时期内,所发现的超导材料的临界温度都比较 低,分布在23K—0.02K之间 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 各种名词 n 超导态：显示出超导电性质的物质状态 n 超导体：具有上述超导特性的物体 n 超导转变温度（临界温度）： n 物质在低温下，其电阻突然转变为零的温度，用TC表 示，TC也叫转变温度。温度高于TC，超导体和一般金 属一样有电阻，称为正常态 n 实验发现除了汞外有几十种元素、数千种合金和 化合物都具有超导性。但在超导体发现以后的漫 长时期内，所发现的超导材料的临界温度都比较 低，分布在23.2K——0.02K之间
完全抗磁性—迈斯纳效应 1933年由 Meissner和 Ochsenfeld发现,超导体 且进入超导态,体内磁通量将全部被排除出体外。 磁感应强度恒等于零—迈斯纳效应。 在超导体发现后的20多年中,人们一直把超导体 的磁性归结为超导体的完全导电性的结果,即把 超导体看成仅仅是电阻为零的理想导体 ■迈斯纳效应展示了超导体与理想导体完全不同的 磁性质,使人们对超导体有了全新的认识—迈 斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本 性质 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 完全抗磁性——迈斯纳效应 n 1933年由Meissner和Oshsenfeld发现，超导体一 旦进入超导态，体内磁通量将全部被排除出体外。 磁感应强度恒等于零——迈斯纳效应。 n 在超导体发现后的20多年中，人们一直把超导体 的磁性归结为超导体的完全导电性的结果，即把 超导体看成仅仅是电阻为零的理想导体 n 迈斯纳效应展示了超导体与理想导体完全不同的 磁性质，使人们对超导体有了全新的认识——迈 斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本 性质
理想导体和超导体的区别 理想导体P=00→>0J=E→E=0 aB ■理想导体内不可能存在电场又:V×E at 理想导体内也不可能存在随∂B 时间变化的磁场 V×E.=0 at ■由理想导体的性质可以推想超导体应具有以 下特点: ■B应由初始条件(或实验过程)决定,理想导体中不可 能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也 不能增加。(对否?) 2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编 理想导体和超导体的区别 n 理想导体 0 ＝0 E Ei j n 理想导体内不可能存在电场 n 理想导体内也不可能存在随 时间变化的磁场 0 i i t E B t B 又 E n 由理想导体的性质可以推想超导体应具有以 下特点： n B应由初始条件（或实验过程）决定，理想导体中不可 能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也 不能增加。（对否？）