超导现象研究及应用PPT学习教案

1、会计学1超导现象研究及应用超导现象研究及应用 1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零，对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪，即使当时最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的

2、观察他们得出结论，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存在，并且没有强度变弱的任何迹象。接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。1:超导现象的发现第1页/共22页第2页/共22页第3页/共22页第4页/共22页第5页/共22页第6页/共22页第7页/共22页第二类超导体又可以分为：理想第II类超导体 晶体结构比较完

3、整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体 晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。真正适合实际应用的超导材料是非理想的第二类超导体。第8页/共22页Ementjss2伦敦第一方程说明超导电流的时间变化率由电场决定。它表明了静场时超导体内电场为零，概括了零电阻效应。第9页/共22页伦敦第二方程Bjenmss2 这一方程说明超导电流与磁场的关系。它说明：1.超导电流是有旋的，可以在一环形回路中形成持

4、续的超导电流。2.由这个方程可以证明，Js和B都只存在于超导体表面层内，即有迈斯纳效应称为穿透深度。第10页/共22页伦敦方程的修正Pippard非局域理论JS与A(r)的非局域关系Pippard方程：pReRrARRrdltrj/43)(43),(0221menaslp1110其中，0并且假设为纯净超导体的相干长度（本征相干长度），l为电子的平均自由程第11页/共22页第一假设：超导电子的行为由有效波函数第一假设：超导电子的行为由有效波函数 来描写，来描写， 即超导电子密度：即超导电子密度： 。其中。其中 为相位，对于正常相，为相位，对于正常相， 。第二假设：第二假设： 是标志系统有序化程度

5、的序参量，其值由自由能密度是标志系统有序化程度的序参量，其值由自由能密度f在平衡态取极小值决定。超导态与正常态自由能之差可以展开为在平衡态取极小值决定。超导态与正常态自由能之差可以展开为 的幂级数。的幂级数。)()(2rnrs)(r)()()(risernr)(r0)(r)(r2)(r第12页/共22页GL第一方程及边界条件0)(0)(2122AeinAeimGL第二方程及边界条件0)()(2)(0220esHrBnAmeimerBJ第一方程是 的运动方程，第二方程表述了超导电流的构成与分布。( ) r第13页/共22页第14页/共22页BCS理论理论物理图像很清晰，它第一次较为完善的解释了常规的金属超导体（第一类超导体）的热力学性质及电磁性质。BCS理论的一个基本近似是：取消了电声子作用对能量与动量的依赖关系，采用了常数截断处理。实际上，该理论假设，只在费米面以外一定的能层内，两电子间才会具有吸引作用而形成Cooper对，且作用势的大小不变。（能层范围为 ， 为德拜频率。）实际上在晶体中与电子相关的相互作用是非常复杂的，因此虽然它能够解释低温超导体大多数特征，但铅，汞，铌等几种元素的性质却与BCS理论计