第四章 超导材料

nullnull超导现象的发现：超导现象的发现：1911年，荷兰科学家昂纳斯在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并 最终出现零电阻的现象。 超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。昂纳斯, 1913年获诺贝尔物理奖null4.1超导研究历史1911年——Onnes发现Hg，现已有5000种。 1911～1932年——元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。 1933年——迈斯纳（ Meissner ）和奥森菲尔德发现迈斯纳效应。 1933—1953年——合金、过渡金属碳化物和氮化物。 1953 ～ 1973年——Tc>17K的V3Si、Nb3Sn等 1957年，BCS理论被提出 1969年，超导纤维研制成功 1973年—— Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb3Ga、 NbGe等，最高 Tc=23.2 K。 金属氧化物超导体被发现，BaPbxBi1-xO3。 1975年——500Km/h的磁悬浮列车研制成功。 1986年——Muller(缪勒)和Bednorz(柏诺兹)发现高温超体。 1987年——赵忠贤、陈立泉研制成功Tc=93K的 YBaCuO。 1988~至今——高温超导迅猛发展，Tc不断升高。null一些超导材料 的临界温度nullnull4.2 超导材料的基本性质与理论基础1：完全导电性（零电阻），超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。例如：室温下将超导体放入磁场中，冷却到低温进入超导状态，去掉外加磁场后，线圈产生感生电流，由于没有电阻，此电流将永不衰减。即超导体的“持久电流”。null高温超导体YBCO的电阻-温度曲线2. 完全抗磁性(迈斯纳效应) 2. 完全抗磁性(迈斯纳效应) 迈斯纳效应 当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为“迈斯纳效应”。null电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。 迈斯纳效应表明，处于超导态的超导体是一个具有完全抗磁性的抗磁体实际上磁场强度 B 有一穿透深度null当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。迈斯纳效应产生的原因:null观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 现象：在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了。 原因：由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。 null 根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。null3. 超导态的临界参数 临界温度（TC） 超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC） 通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。 临界磁场（HC） 施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。 null临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约 束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满 足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。 （由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）nullTc、Hc、Jc 任一条件变化都会从超导态变成正常态临界电流：即当每厘米样品长度上出现电压为1V时所输送的电流 4 超导体的机理—BCS理论 4 超导体的机理—BCS理论 该理论以其发明者 巴丁（Bardeen） 库珀（Cooper） 施里弗（Schrieffer） 的名字首字母命名。 超导现象于1911年发现，但直到1957年，美国科学家巴丁、库珀和施里弗在《物理学评论》提出BCS理论，其微观机理才得到一个令人满意的解释。 巴丁、库珀和施里弗因为提出超导电性的BCS理论而获得1972年的诺贝尔物理学奖 nullBCS理论： 金属晶体是有周期型排列的金属正离子和可以自由移动的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时T