超导体的电磁性质

1、超导体的电磁性质作者:安庆师范学院物理与电气工程学院05级物理(2)班王磊学号:1505070本文摘要:本文主要阐述了超导体的定义、现象以及它的主要电磁性质，并且用公式和的图像进行了必要的解释和说明，最后又对第二类超导体作了简要介绍。关键字:零电阻迈斯纳效应临界磁场磁通量子涡线超导是超导电性的简称，它是指金属、合金或其它材料电阻变为零的性质。超导现象是荷兰物理学家翁纳斯(H.K.Onnes,18531926年)首先发现的。1.超导现象翁纳斯在1908年首次把最后一个“永久气体”氦气液化，并得到了低于4K的低温。1911年他在测量一个固态汞样品的电阻与温度的关系时发现，当温度下降到4.2K附近时

2、，样品的电阻突然减小到仪器无法觉察出的一个小值(当时约为1x10-5。)。图1画出了由实验测出的汞的电阻率在4.2K附近的变化情况。该曲线表示在低于4.15K的温度下汞的电阻率为零(作为对比，在图1中还用虚线画出了正常金属铂的电阻率随温度变化的关系)。图1汞和正常金属铂的电导率随温度变化的关系超导体一般具有以下特性零电阻是超导体的一个重要特性，实验表明:超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关,还与外磁场强度和通过超导体的电流有关，这意味着存在临界电流，超过临界电流就会出现电阻.如果将一金属环放在磁场中，突然撤去磁场，在环内就会出现感生电流。金属环具有电阻R和电感L。由于焦耳热损耗，感生电流会

3、逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已在多次实验中观察到。测量超导环中持续电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.6X10-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.6X10-6欧姆厘米还要小4.4X1016倍。这个实验结果表明超导体的电阻率确实是零。临界温度Tc超导体由正常态转变为超导态的温度。临界磁场BC对于超导体，只有当外加磁场小于某一量值时，才能保持超导电性，否则超导态即被破坏，而转变为正常态。这一磁场值称为临界磁场BC(临界磁感应强度)，有时用HC(临界磁场强度)表示

4、。临界磁场与温度的关系为HC=Ho1-(T/Tc)2式中Ho为0K时的临界磁场。同样，超导体也存在一临界电流IC迈斯纳效应完全抗磁性这种性质是1993年迈斯纳研究超导态的磁性时发现的，即不管超导体内原来有无磁场，一旦进入超导态,超导体内的磁场一定等于零，即具有安全抗磁性，超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象，磁悬浮现象在工程技术中有许多重要的应用，如用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等.1933年德国物理学家迈斯纳(W.Meissner)和奥森菲尔德(R.Ochsebfekd)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，在小磁场中把金属冷却进入超导态时,体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，

5、也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零。这说明超导体不是电阻无限小的理想导体。因为对于电阻率P无限小的理想导体，根据J=oE=E/p，当P为0时，E必须为0才能使J保持有限。这就是说对理想导体在没有电场E的条件下仍可以维持稳恒的电流密度。另一方面，按麦克斯韦方程之一B=-VxEdtd-既然E恒为0,势必B二0，磁感应强度B不随时间变化，或者说，在理想导体中磁感dt应通量不可能改变。但迈斯纳效应与其不一致。2.临界磁场具有持续电流的超导环能产生磁场，而且除了最初产生持久电流时需要输入一些能量外，它和永久磁体一样，维持这电流和它所产生的磁场，并不需要任何电源。这意味着利用超导体可以在只消耗

6、少许能量的条件下获得很强的磁场。遗憾的是，强磁场对超导体有相反的作用，即强磁场可以破坏超导电性。例如，在绝对零度附近，0.041T的磁场就足以破坏汞的超导电性。接近临界温度时，甚至更弱的磁场也能破坏超导电性。破坏材料超导电性的最小磁场称为临界磁场，以Be表示，Be随温度而改变。在图3中画出了汞的临界磁场Be与绝对温度T的关系曲线。Tli.图3汞的B-T曲线实验已表明，对于所有的超导体，Be与T的关系可以近似地用抛物线公式表示，式中Be(0)为绝对零度时的临界磁场。临界磁场的存在限制了超导体中能够通过的电流，例如在一根超导线中有电流通过时，这电流也在超导线中产生磁场。随着电流的增大，当它的磁场足

7、够强时，这导线的超导电性就会被破坏。例如，在绝对零度附近，直径0.2cm的汞超导线，最大只允许通过200A的电流，电流再大，它将失去超导电性。对超导电性的这一限制，在设计超导磁体时必须加以考虑。3超导体中的电场和磁场我们知道，由于导体有电阻，所以为了在导体中产生恒定电流，就需要在其中加电场。电阻越大，需要加的电场也就越强。对于超导体来说，由于它的电阻为零，即使在其中有电流产生，维持该电流也不需要加电场。这就是说，在超导体内部电场总为零。利用超导体内电场总是零这一点可以说明如何在超导体内激起持续电流。如图4(a)所示，用线吊起一个焊锡环(铅锡合金)，先使其温度在临界温度以上，当把一个条形磁铁移近

8、时，在环中激起了感应电流。但由于环有电阻，所以此电流很快就消失了，但环内留有磁通量。然后，如图4(b)所示，将液氦容器上移，使焊锡环变成超导体。这对环内的磁通不变，如果再移走磁铁，合金环内的磁通量是不能改变的。若改变了，根据电磁感应定律，在环体内将产生电场，这和超导体内电场为零是矛盾的。因此，在磁铁移走的过程中，超导环内就会产生电流（图4（c），它的大小自动地和值相应。这个电流就是超导体中的持续电流。图4超导环中持续电流的产生由于超导体内部电场强度为零，根据电磁感应定律，它体内各处的磁通量也不能变化。由此可以进一步导出超导体内部的磁场为零。例如，当把一个超导体样品放入一磁场中时,在放入的过程中

9、，由于穿过超导体样品的磁通量发生了变化，所以将在样品的表面产生感应电流（图5（a）。这电流将在超导体样品内部产生磁场。这磁场正好抵消外磁场，而使超导体内部磁场仍为零。在超导体的外部，超导体表面感应电流的磁场和原磁场的叠加将使合磁场的磁感线绕过超导体而发生弯曲（图5（b）。这种结果常说成是磁感线不能进入超导体。Ui图5超导体样品放入磁场中不但把超导体移入磁场中时磁感线不能进入超导体,而且原来就在磁场中的超导体也会把磁场排斥到超导体之外。1933年迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔特（Ochsenfeld）在实验中发现了下述事实。他们先把在临界温度以上的锡和铅样品放入磁场中，由于这时样品不是超

10、导体，所以其中有磁场存在（图6（a）。当他们维持磁场不变而降低样品的温度时，发现当样品转变为超导体后，其内部也没有磁场了（图6（b）。这说明，在转变过程中，在超导体表面上也产生了电流，这电流在其内部的磁场完全抵消了原来的磁场。一种材料能减弱其内部磁场的性质叫抗磁性。迈斯纳实验表明，超导体具有完全的抗磁性。转变为超导体时能排除体内磁场的现象叫迈斯纳效应。迈斯纳效应中，只在超导体表面产生电流是就宏观而言的。在微观上，这电流是在表面薄层内产生的，薄层厚度约为10-cm。在这表面层内，磁场并不完全为零，因而还有一些磁感线穿入表面层。w冋图6在磁场中样品向超导体转变严格说来，理想的迈斯纳效应只能在沿磁场

11、方向的非常长的圆柱体（如导线）中发生。对于其它形状的超导体，磁感线被排除的程度取决于样品的几何形状。在一般情况下，整个金属体内分成许多超导区和正常区。磁场增强时，正常区扩大，超导区缩小。当达到临界磁场时，整个金属都变成正常的了。4第二类超导体大多数纯金属超导体排除磁感线的性质有一个明显的分界。在低于临界温度的某一温度下，当所加磁场比临界磁场弱时，超导体禁止磁感线进入。一旦磁场比临界磁场强时，这种超导特性就消失了，磁感线可以进入金属体内。具有这种性质的超导体叫第一类超导体。还有一类磁导体的磁性质较为复杂，它们被称做第二类超导体。目前发现的这类超导体有铌、钒和一些合金材料。这类超导体在低于临界温度

12、的一定温度下有两个临界磁场Bc1和Bc2。图7示出了这类超导体的两个临界磁场对温度T的变化曲线。当磁场比第一临界磁场Bcl弱时，这类超导体处于纯粹的起导态，称迈斯纳态，这时它完全禁止磁感线进入。当磁场在Bc1和Bc2之间时，材料具有超导区和正常区相混杂的结构，叫做混合态，这时可以有部分磁感线进入。当磁场比第二临界磁场Bc2还要强时，材料完全转入正常态，磁感线可以自由进入。例如铌三锡（Nb3Sn）在4.2K的温度下，Bcl=0.019T,Bc2=22T，这个Bc2值是相当高的。这样高的Bc2值有很重要的实用价值，因为在任何金属都已丧失超导特性的强磁场中，这种材料还能保持超导电性。图7第二类超导体Bc-T曲线第二类超导材料处于中等强度的磁场中时，它的混合态具有下述的结构：整个材料是超导的，但其中嵌有许多细的正常态的丝，这些丝都平行于外加磁场的方向，它们是外磁场的磁感线的通道（图8）。每根细丝都被电流围绕着，这些电流屏蔽了细丝中磁场对外面的超导区的作用。这种电流具有涡旋性质，所以这种正常态细丝叫做涡线。实验证明，在每一条涡线中的磁通量都有一个确定的值0,它和普朗克常数h以及电子电量e有一确定的关系，即0=hF2e=2.O7XlOT川图8第二类超导体的混合态这说明磁通量是量子化的，0就表示磁通量子。在第二类超导体处于混合态，外磁场的增强只能增加涡线的数目，而不