超导电性

超导电性原图链接图片来源优酷网

超导电性是指某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡末林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。

中文名:超导电性

外文名:superconductivity

发现者:H·卡末林·昂内斯

主要表现:电阻率等于零

超导体第一类Pippard（软超导体）

理论研究:超导态的熵总是低于正常态的熵

超导体第二类:London（硬超导体）

发现时间:1911年

目录

简介

卡末林·昂纳斯进而研究杂质对超导的影响，出乎他的意料，在水银中加杂质并不影响超导现象的出现。看来，卡末林·昂纳斯为了试验最纯的金属，选用了水银，却偶然地发现了并不只是属于纯水银的一种普遍现象——超导电性。然而，对于卡末林·昂纳斯来说，这一发现并非完全偶然，第一，他首先实现了氦气的液化，而且直到20世纪20年代，全世界只有他独家生产液氦；第二，他所在的低温实验室拥有大规模液氢生产设备，可以保证维持氦恒温器的低温状态；第三，他明确地认定要探索低温下物质的各种特性，特别是电阻的变化。所以超导电性的发现对于卡末林·昂纳斯来说，又是必然的。卡末林·昂纳斯因对低温下物质性质的研究，特别是液氦的制备而获得1913年诺贝尔物理学奖。他是继洛仑兹、塞曼（P．Zeeman）和范德瓦耳斯之后荣获这一最高科学荣誉的第四位荷兰物理学家 。

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主要性质

超导体的主要性质表现为：

1. 超导体进入超导态时，其电阻率实际上等于零。从电阻不为零的正常态转变为超导态的温度称为超导转变温度或超导临界温度，用Tc 表示。
2. 外磁场可破坏超导态。只有当外加磁场小于某一阈值Hc时才能维持超导电性，否则超导态将转变为正常态，Hc 称为临界磁场强度。Hc 与温度的关系为Hc≈H0〔1－(T/Tc)2〕，H0 是T=0K时的临界磁场强度。
3. 超导体内的电流强度超过某一阈值Ic 时，超导体转变为正常导体，Ic称为临界电流。
4. 不论开始时有无外磁场，只有T<Tc，超导体变为超导态后，体内的磁感应强度恒为零，即超导体能把磁力线全部排斥到体外，具有完全的抗磁性。此现象首先由W.迈斯纳和R.奥克森菲尔德两人于1933年发现，称为迈斯纳效应。一个小的永久磁体降落到超导体表面附近时，由于永久磁体的磁感线不能进入超导体，在永久磁体与超导体间产生排斥力，使永久磁体悬浮于超导体上。

一二类超导体

超导体分第一类(又称Pippard超导体或软超导体)和第二类(又称London 超导体或硬超导体）两种。在已发现的超导元素中只有钒、铌和锝属第二类超导体，其他元素均为第一类超导体，但大多数超导合金则属于第二类超导体。第一类超导体只存在一个临界磁场Hc，当外磁场H<Hc时，呈现完全抗磁性，体内磁感应强度为零。第二类超导体具有两个临界磁场，分别用HC1（下临界磁场）和HC2（上临界磁场）表示。当外磁场H<HC1时，具有完全抗磁性，体内磁感应强度处处为零。外磁场H增加时，超导态区域缩小，正常态区域扩大，H≥HC2时，超导体全部变为正常态。

理论研究

对超导体的宏观理论研究开始于W·H·开塞姆、A·J·拉特杰尔和C·J·戈特等人的工作，他们运用热力学理论分析讨论了超导态和正常态之间的相变问题，得出超导态的熵总是低于正常态的熵这一重要结论，这意味着超导态是比正常态更为有序的状态 。

二流体模型

戈特和H·B·G·卡西米尔根据以上结果于1934年提出了超导态的二流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子（见能带理论）发生某种有序变化所引起，并假定：①超导体处于超导态时，共有化电子可分成正常电子和超导电子两种，分别构成正常流体和超导电子流体，它们占有同一体积，彼此独立地运动，两种流体的电子数密度均随温度而变。②正常流体的性质与普通金属中的自由电子气相同，熵不等于零，处于激发态。正常电子因受晶格振动的散射而会产生电阻。超导电子流体由于其有序性而对熵的贡献为零，处于能量最低的基态。超导电子不会受晶格散射，不产生电阻。③超导态的有序度可用有序参量ω（T）=Ns（T）/N表示，N为总电子数，Ns为超导电子数。T>TC时，无超导电子，ω=0；Τ<Tc时开始出现超导电子，随着温度T的减小，更多的正常电子转变为超导电子；T=0K时，所有电子均成为超导电子，ω=1。根据上述二流体模型可解释许多与超导电性有关的实验现象。

宏观电磁理论

1935年，F·伦敦和H·伦敦两兄弟在二流体模型的基础上运用麦克斯韦电磁理论提出了超导体的宏观电磁理论，成功地解释了超导体的零电阻现象和迈斯纳效应。根据伦敦的理论，磁场可穿入超导体的表面层内，磁感应强度随着深入体内的深度X指数地衰减：B(x)∝e-x/λ，衰减常数λ称为穿透深度。当超导体的线度小于穿透深度时，体内的磁感应强度并不等于零，故只有当超导体的线度比穿透深度大得多时，才能把超导体看成具有完全的抗磁性。实际测量证实了存在穿透深度这一理论预言，但理论数值与实验不符。1953年A.B.皮帕德对伦敦的理论进行了修正。伦敦的理论未考虑到超导电子间的关联作用，皮帕德认为超导电子在一定空间范围内是相互关联的，并引进相干长度的概念来描述超导电子相互关联的距离（即超导电子波函数的空间范围）。皮帕德得到了与实验相符的穿透深度。

京茨堡·朗道

1950年，V·L·京茨堡和L·D·朗道在二级相变理论的基础上提出了超导电性的唯象理论，称为京茨堡·朗道理论（简称GL理论）。超导态与正常态间的相互转变是二级相变（相变时无体积变化，也无相变潜热）。1937年朗道曾提出二级相变理论，认为两个相的不同全在于秩序度的不同，并引进序参量η来描述不同秩序度的两个相，η=0时为完全无序，η=1时为完全有序。GL理论把二级相变理论应用于正常态与超导态的相变过程，其独到之处是引进一个有效波函数ψ作为复数序参量，|ψ|2 则代表超导电子的数密度，应用热力学理论建立了关于ψ的京茨堡-朗道方程。根据GL理论可得到许多与实验相符的结论，例如临界磁场、相干长度及穿透深度与温度的关系等。GL理论还给出了区分第一类超导体和第二类超导体的判据。A.A.阿布里考索夫根据GL理论详细讨论了第二类超导体的基本特性。L.P.戈科夫从超导体的微观理论导出了GL方程。今把GL理论与后来阿布里考索夫和戈科夫的工作合起来称为GLAG理论。

BCS理论

J·巴丁、L·N·库珀和J·R·施里弗三人于1957年建立了关于超导态的微观理论，简称BCS理论，以费米液体为基础，在电子，声子作用很弱的前提下建立起来的理论。它认为超导电性的起因是费米面附近的电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引作用，由于这种吸引作用，费米面附近的电子两两结合成对，叫库珀对。BCS理论可以导出与伦敦方程、皮帕德方程以及京茨堡-朗道方程相类似的方程，能解释大量的超导现象和实验事实。对于某些超导体，例如汞和铅，有一些现象不能用它解释，在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论可以解释。

应用

超导电性具有重要的应用价值，如利用在临界温度附近电阻率随温度快速变化的规律可制成灵敏的超导温度计；利用超导态的无阻效应可传输强大的电流，以制造超导磁体、超导加速器、超导电机等；利用超导体的磁悬浮效应可制造无摩擦轴承、悬浮列车等；利用约瑟夫森效应制造的各种超导器件已广泛用于基本常数、电压和磁场的测定、微波和红外线的探测，及电子学领域。高临界温度超导材料的出现必将大大扩展超导电性的应用前景。 超导体最理想的应用是在城市商业用电输送系统当中充当电缆带材。然而由于费用过高和冷却系统难以达到现有要求导致无法实用化，但已经有部分地点进行了试运行。2001年五月，丹麦首都哥本哈根大约150,000居民使用上了由超导材料传送的生活用电。

2001年夏，Pirelli公司为底特律一个能源分局完成了可以输送1亿瓦特功率电能的三条400英尺长高温超导电缆。这也是美国第一条将电能通过超导材料输送给用户的商用电缆。2006年7月住友商事电子在美国能源部和纽约能源研究发展委员会的支持下进行了一项示范工程——超导DI-BSCCO电缆首次入网运行。该电缆承担着70,000个家庭的供电需求并且未出现过任何问题。

利用超导体的磁悬浮效应，可以实现速度高达581km/h的磁悬浮列车，世界上第一条磁悬浮列车建成于英格兰伯明翰。我国上海浦东机场也有一条长达30km的磁悬浮列车轨道于2003年12月投入运营。

超导体还可用来制作超导磁体，于常规磁体相比，它没有焦耳热，无需冷却；轻便：一个5T的常规磁体重达20t而超导磁体不过几千克；稳定性好、均匀度高；易于启动，能长期运转。

超导磁体也使得制造能将亚粒子加速到接近光速的粒子对撞机成为可能。

超导材料还可应用于超导直流电机、变压器以及磁流体发电机，将显著提高能效并显著减轻重量以及体积。此外超导计算机、超导储能线圈、核磁共振成像、超导量子干涉仪（SQUID）、开关器件、高性能滤波器、军事上的超导纳米微波天线，电子炸弹、超导X射线检测仪、超导光探测器以及160 Ghz的超导数字路由器等这都是非常诱人的应用项目 。