超導電性

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超導電性是指某些物質在一定溫度條件下電阻降為零的性質。1911年荷蘭物理學家H·卡末林·昂內斯發現汞在溫度降至4.2K附近時突然進入一種新狀態，其電阻小到實際上測不出來，他把汞的這一新狀態稱為超導態。以後又發現許多其他金屬也具有超導電性。低於某一溫度出現超導電性的物質稱為超導體。

中文名:超導電性

外文名:superconductivity

發現者:H·卡末林·昂內斯

主要表現:電阻率等於零

超導體第一類Pippard（軟超導體）

理論研究:超導態的熵總是低於正常態的熵

超導體第二類:London（硬超導體）

發現時間:1911年

目錄

簡介

卡末林·昂納斯進而研究雜質對超導的影響，出乎他的意料，在水銀中加雜質並不影響超導現象的出現。看來，卡末林·昂納斯為了試驗最純的金屬，選用了水銀，卻偶然地發現了並不只是屬於純水銀的一種普遍現象——超導電性。然而，對於卡末林·昂納斯來說，這一發現並非完全偶然，第一，他首先實現了氦氣的液化，而且直到20世紀20年代，全世界只有他獨家生產液氦；第二，他所在的低溫實驗室擁有大規模液氫生產設備，可以保證維持氦恆溫器的低溫狀態；第三，他明確地認定要探索低溫下物質的各種特性，特別是電阻的變化。所以超導電性的發現對於卡末林·昂納斯來說，又是必然的。卡末林·昂納斯因對低溫下物質性質的研究，特別是液氦的製備而獲得1913年諾貝爾物理學獎。他是繼洛侖茲、塞曼（P．Zeeman）和范德瓦耳斯之後榮獲這一最高科學榮譽的第四位荷蘭物理學家 。

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主要性質

超導體的主要性質表現為：

1. 超導體進入超導態時，其電阻率實際上等於零。從電阻不為零的正常態轉變為超導態的溫度稱為超導轉變溫度或超導臨界溫度，用Tc 表示。
2. 外磁場可破壞超導態。只有當外加磁場小於某一閾值Hc時才能維持超導電性，否則超導態將轉變為正常態，Hc 稱為臨界磁場強度。Hc 與溫度的關係為Hc≈H0〔1－(T/Tc)2〕，H0 是T=0K時的臨界磁場強度。
3. 超導體內的電流強度超過某一閾值Ic 時，超導體轉變為正常導體，Ic稱為臨界電流。
4. 不論開始時有無外磁場，只有T<Tc，超導體變為超導態後，體內的磁感應強度恆為零，即超導體能把磁力線全部排斥到體外，具有完全的抗磁性。此現象首先由W.邁斯納和R.奧克森菲爾德兩人於1933年發現，稱為邁斯納效應。一個小的永久磁體降落到超導體表面附近時，由於永久磁體的磁感線不能進入超導體，在永久磁體與超導體間產生排斥力，使永久磁體懸浮於超導體上。

一二類超導體

超導體分第一類(又稱Pippard超導體或軟超導體)和第二類(又稱London 超導體或硬超導體）兩種。在已發現的超導元素中只有釩、鈮和鍀屬第二類超導體，其他元素均為第一類超導體，但大多數超導合金則屬於第二類超導體。第一類超導體只存在一個臨界磁場Hc，當外磁場H<Hc時，呈現完全抗磁性，體內磁感應強度為零。第二類超導體具有兩個臨界磁場，分別用HC1（下臨界磁場）和HC2（上臨界磁場）表示。當外磁場H<HC1時，具有完全抗磁性，體內磁感應強度處處為零。外磁場H增加時，超導態區域縮小，正常態區域擴大，H≥HC2時，超導體全部變為正常態。

理論研究

對超導體的宏觀理論研究開始於W·H·開塞姆、A·J·拉特傑爾和C·J·戈特等人的工作，他們運用熱力學理論分析討論了超導態和正常態之間的相變問題，得出超導態的熵總是低於正常態的熵這一重要結論，這意味着超導態是比正常態更為有序的狀態 。

二流體模型

戈特和H·B·G·卡西米爾根據以上結果於1934年提出了超導態的二流體模型，認為超導態比正常態更為有序是由共有化電子（見能帶理論）發生某種有序變化所引起，並假定：①超導體處於超導態時，共有化電子可分成正常電子和超導電子兩種，分別構成正常流體和超導電子流體，它們占有同一體積，彼此獨立地運動，兩種流體的電子數密度均隨溫度而變。②正常流體的性質與普通金屬中的自由電子氣相同，熵不等於零，處於激發態。正常電子因受晶格振動的散射而會產生電阻。超導電子流體由於其有序性而對熵的貢獻為零，處於能量最低的基態。超導電子不會受晶格散射，不產生電阻。③超導態的有序度可用有序參量ω（T）=Ns（T）/N表示，N為總電子數，Ns為超導電子數。T>TC時，無超導電子，ω=0；Τ<Tc時開始出現超導電子，隨着溫度T的減小，更多的正常電子轉變為超導電子；T=0K時，所有電子均成為超導電子，ω=1。根據上述二流體模型可解釋許多與超導電性有關的實驗現象。

宏觀電磁理論

1935年，F·倫敦和H·倫敦兩兄弟在二流體模型的基礎上運用麥克斯韋電磁理論提出了超導體的宏觀電磁理論，成功地解釋了超導體的零電阻現象和邁斯納效應。根據倫敦的理論，磁場可穿入超導體的表面層內，磁感應強度隨着深入體內的深度X指數地衰減：B(x)∝e-x/λ，衰減常數λ稱為穿透深度。當超導體的線度小於穿透深度時，體內的磁感應強度並不等於零，故只有當超導體的線度比穿透深度大得多時，才能把超導體看成具有完全的抗磁性。實際測量證實了存在穿透深度這一理論預言，但理論數值與實驗不符。1953年A.B.皮帕德對倫敦的理論進行了修正。倫敦的理論未考慮到超導電子間的關聯作用，皮帕德認為超導電子在一定空間範圍內是相互關聯的，並引進相干長度的概念來描述超導電子相互關聯的距離（即超導電子波函數的空間範圍）。皮帕德得到了與實驗相符的穿透深度。

京茨堡·朗道

1950年，V·L·京茨堡和L·D·朗道在二級相變理論的基礎上提出了超導電性的唯象理論，稱為京茨堡·朗道理論（簡稱GL理論）。超導態與正常態間的相互轉變是二級相變（相變時無體積變化，也無相變潛熱）。1937年朗道曾提出二級相變理論，認為兩個相的不同全在於秩序度的不同，並引進序參量η來描述不同秩序度的兩個相，η=0時為完全無序，η=1時為完全有序。GL理論把二級相變理論應用於正常態與超導態的相變過程，其獨到之處是引進一個有效波函數ψ作為複數序參量，|ψ|2 則代表超導電子的數密度，應用熱力學理論建立了關於ψ的京茨堡-朗道方程。根據GL理論可得到許多與實驗相符的結論，例如臨界磁場、相干長度及穿透深度與溫度的關係等。GL理論還給出了區分第一類超導體和第二類超導體的判據。A.A.阿布里考索夫根據GL理論詳細討論了第二類超導體的基本特性。L.P.戈科夫從超導體的微觀理論導出了GL方程。今把GL理論與後來阿布里考索夫和戈科夫的工作合起來稱為GLAG理論。

BCS理論

J·巴丁、L·N·庫珀和J·R·施里弗三人於1957年建立了關於超導態的微觀理論，簡稱BCS理論，以費米液體為基礎，在電子，聲子作用很弱的前提下建立起來的理論。它認為超導電性的起因是費米面附近的電子之間存在着通過交換聲子而發生的吸引作用，由於這種吸引作用，費米面附近的電子兩兩結合成對，叫庫珀對。BCS理論可以導出與倫敦方程、皮帕德方程以及京茨堡-朗道方程相類似的方程，能解釋大量的超導現象和實驗事實。對於某些超導體，例如汞和鉛，有一些現象不能用它解釋，在BCS理論的基礎上發展起來的超導強耦合理論可以解釋。

應用

超導電性具有重要的應用價值，如利用在臨界溫度附近電阻率隨溫度快速變化的規律可製成靈敏的超導溫度計；利用超導態的無阻效應可傳輸強大的電流，以製造超導磁體、超導加速器、超導電機等；利用超導體的磁懸浮效應可製造無摩擦軸承、懸浮列車等；利用約瑟夫森效應製造的各種超導器件已廣泛用於基本常數、電壓和磁場的測定、微波和紅外線的探測，及電子學領域。高臨界溫度超導材料的出現必將大大擴展超導電性的應用前景。 超導體最理想的應用是在城市商業用電輸送系統當中充當電纜帶材。然而由於費用過高和冷卻系統難以達到現有要求導致無法實用化，但已經有部分地點進行了試運行。2001年五月，丹麥首都哥本哈根大約150,000居民使用上了由超導材料傳送的生活用電。

2001年夏，Pirelli公司為底特律一個能源分局完成了可以輸送1億瓦特功率電能的三條400英尺長高溫超導電纜。這也是美國第一條將電能通過超導材料輸送給用戶的商用電纜。2006年7月住友商事電子在美國能源部和紐約能源研究發展委員會的支持下進行了一項示範工程——超導DI-BSCCO電纜首次入網運行。該電纜承擔着70,000個家庭的供電需求並且未出現過任何問題。

利用超導體的磁懸浮效應，可以實現速度高達581km/h的磁懸浮列車，世界上第一條磁懸浮列車建成於英格蘭伯明翰。我國上海浦東機場也有一條長達30km的磁懸浮列車軌道於2003年12月投入運營。

超導體還可用來製作超導磁體，於常規磁體相比，它沒有焦耳熱，無需冷卻；輕便：一個5T的常規磁體重達20t而超導磁體不過幾千克；穩定性好、均勻度高；易於啟動，能長期運轉。

超導磁體也使得製造能將亞粒子加速到接近光速的粒子對撞機成為可能。

超導材料還可應用於超導直流電機、變壓器以及磁流體發電機，將顯著提高能效並顯著減輕重量以及體積。此外超導計算機、超導儲能線圈、核磁共振成像、超導量子干涉儀（SQUID）、開關器件、高性能濾波器、軍事上的超導納米微波天線，電子炸彈、超導X射線檢測儀、超導光探測器以及160 Ghz的超導數字路由器等這都是非常誘人的應用項目 。