专题选读7：超导电性和高温超导体
专题选读7：超导电性和高温超导体
超导电性和高温超导体 一、超导电性 1911年，荷兰科学 0.15 家Heike Kamerlingh 汞超导转变 Onnes发现：汞的电阻 0.10- 在温度降低时，先是缓 R 慢地减小，但在T。= 4.2K附近电阻突然降为 0.05 超导态 正常态 零一称这种零电阻现象 R<1052 Tc =4.2K 为物质的超导电性。具 0 有超导电性的材料称之 0 4.1 4.2 4.3 T(K 温度 为超导体
1911年，荷兰科学 家 Heike Kamerlingh Onnes 发现：汞的电阻 在温度降低时，先是缓 慢地减小，但在Tc = 4.2K附近电阻突然降为 零—称这种零电阻现象 为物质的超导电性。具 有超导电性的材料称之 为超导体。 一、超导电性 超导电性和高温超导体 温度 汞超导转变
二、超导体重要的物理特性 1.直流零电阻效应 一些金属或其化合 (R) 物，在温度下降时，电阻 突然降为零，则称其处于 超导态一超导体。超导体 开始失去电阻时的温度称 正常金属 为超导转变温度T。温度 在T以上时，超导体与正 常导体一样，都有一定的 超导金属 电阻值，此时超导体处于 正常态，而在T以下，超 导体处于零电阻状态，即 超导态
二、超导体重要的物理特性 1. 直流零电阻效应 一些金属或其化合 物，在温度下降时，电阻 突然降为零，则称其处于 超导态 —超导体。超导体 开始失去电阻时的温度称 为超导转变温度 Tc。温度 在 Tc以上时，超导体与正 常导体一样，都有一定的 电阻值，此时超导体处于 正常态，而在 Tc以下，超 导体处于零电阻状态，即 超导态。 ρ R)( T Tc 超导金属 正常金属
为了验证超导态下，电阻是否完全消失，历史上 曾进行了著名的实验一Collins超导持续电流实验 一将一金属环放在垂直于环平面的磁场中，将其冷却 到超导的转变温度以下，然后撤去磁场，这时环中有 电流。通过实验测量导 体环中电流的衰减情况。 实验发现：在超导 铅环中的电流在两年内 未发现丝毫的衰减！ 说明导体处于超导态 时，其电阻确实完全消 失
为了验证超导态下，电阻是否完全消失，历史上 曾进行了著名的实验——Collins超导持续电流实验 — —将一金属环放在垂直于环平面的磁场中，将其冷却 到超导的转变温度以下，然后撤去磁场，这时环中有 电流。 通过实验测量导 体环中电流的衰减情况。 实验发现：在超导 铅环中的电流在两年内 未发现丝毫的衰减！ 说明导体处于超导态 时，其电阻确实完全消 失
1987年中科院物理所在绝对温标 38K下对YBCO超导环中的永久电流观 察了68分钟，没有发现电流的衰减，由 此计算出YBCO超导环的电阻率上限为： p<3×10-162cm
1987年中科院物理所在绝对温标 38K下对YBCO超导环中的永久电流观 察了68分钟，没有发现电流的衰减，由 此计算出YBCO超导环的电阻率上限为： cm103 16 ⋅Ω×< − ρ
2.迈斯纳效应 置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁 性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象一 称为“迈斯纳效应”。 球体
置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁 性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象 — —称为 “迈斯纳效应 ” 。 2. 迈斯纳效应 球体
起初，人们从零电阻现象出发，一直把超导体和理 想导体（或称无阻导体)完全等同起来，而1933年德国 物理学家迈斯纳和奥克森菲尔德的测量表明：超导体的 磁性质与理想导体的磁性质不同。 因此，直流零电阻效应和迈斯纳效应实际上是超 导体的两个完全独立的特性。 (1)对于理想导体，在处于正常状态时加了外磁场， 磁力线穿过其内部；由于理想导体的磁性质，内部磁 通分布将不变，去掉外磁场后，理想导体仍还将保持 其内部的磁通线。 (2)对于超导体，当从正常态变到超导态后，原来穿 过超导体的磁通被完全排出到超导体外，同时超导体 外的磁通密度增加。由此可见，只要T<T。,在超导体 内部总有磁感应强度B=O,这就是迈斯纳效应
起初，人们从零电阻现象出发，一直把超导体和 理 想导体（或称无阻导体）完全等同起来，而1933年德国 物理学家迈斯纳和奥克森菲尔德的测量表明：超导体的 磁性质与理想导体的磁性质不同 。 因此，直流零电阻效应 和迈斯纳效应实际上是超 导体的两个完全独立的特性 。 （ 1 ）对于理想导体，在处于正常状态时加了外磁场， 磁力线穿过其内部；由于理想导体的磁性质，内部磁 通分布将不变，去掉外磁场后，理想导体仍还将保持 其内部的磁通线。 （ 2 ）对于超导体，当从正常态变到超导态后，原来穿 过超导体的磁通被完全排出到超导体外，同时超导体 外的磁通密度增加。由此可见，只要 T< Tc，在超导体 内部总有磁感应强度 B=0，这就是迈斯纳效应
注意：超导体内 部磁场为零，但 是在超导体的表 面薄层内磁场并 不是突然降为 零，而有一定的 渗透，并满足如 B(x) 下规律： B(x)=B(0)e */4 其中2为渗透深度。 B在超导体内按指数关系衰减
注意：超导体内 部磁场为零，但 是在超导体的表 面薄层内磁场并 不是突然降为 零，而有一定的 渗透，并满足如 下规律： /λ )0()( x eBxB − = 其中λ为渗透深度。 B在超导体内按指数关系衰减 在超导体内按指数关系衰减 B(x) x y
3.临界磁场和临界电流条件 1913年，Onnesi在实验中发现：当超导电流达到或超过 临界电流强度时，超导体从超导态转变为正常态。 1914年，Onnes又发现：(1)当外加磁场超过临界磁 场强度H时超导电性被破坏； (2)H与超导体本身性质有 关，且是温度T的函数： Silsbee认为：超导体内电流超过临界电流而破坏超导 状态的情况，实际上是由于电流本身产生的磁场超过临界 磁场引起的。这个假设得到了许多实验的证实
1914年，Onnes又发现：（1）当外加磁场超过临界磁 场强度Hc时超导电性被破坏；（2）Hc与超导体本身性质有 关，且是温度T 的函数： 1913年，Onnes在实验中发现：当超导电流达到或超过 临界电流强度Ic时，超导体从超导态转变为正常态。 3. 临界磁场和临界电流条件 ⎥⎥⎦⎤ ⎢⎢⎣⎡ ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ −= 2 c 0c 1 TT HH Silsbee认为：超导体内电流超过临界电流而破坏超导 状态的情况，实际上是由于电流本身产生的磁场超过临界 磁场引起的。这个假设得到了许多实验的证实
H H 正常态 超导态 Silsbee认为：超导体内电流超过临界电流而破坏超导 状态的情况，实际上是由于电流本身产生的磁场超过临界 磁场引起的。这个假设得到了许多实验的证实
⎥⎥⎦⎤ ⎢⎢⎣⎡ ⎟⎟⎠⎞ ⎜⎜⎝⎛ −= 2 c 0c 1 TT HH Silsbee认为：超导体内电流超过临界电流而破坏超导 状态的情况，实际上是由于电流本身产生的磁场超过临界 磁场引起的。这个假设得到了许多实验的证实。 T H Hc Tc 超导态 正常态