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有机导体和超导体,超导体论文

发布日期:2021-10-27 15:43:10 作者: 点击:

超导体论文

超导体的原理、性质及其应用

…(…)

(..,南京 211189)

摘要:1911年,荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃时,汞的电阻突然消失;

后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,卡末林—昂内斯称之为超导态。低温时,导体导电度急剧增加,即电阻值为零时,我们称之为超导状态。而处于超导状态的导体我们称之为超导体。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。为了实现超导材料的实用性,科学家们经过数十年的努力,跨越了超导材料的磁电障碍,开始了探索高温超导的历程。

关键词:超导应用原理

Principles, Properties and Applications of

Superconductors

(…, Nanjing 210000)

Abstract: In 1911, H.Kamerlingh Onnes from the University of Leiden finds that when the mercury cooled to -268.98 ℃, the resistance of it suddenly disappeared. Later he found that many metals and alloys are similar to the above mercury at low temperatures. Due to its special conductive properties H.Kamerlingh Onnes calls it the superconducting state. AT low temperatures, the conductor conductivity increased dramatically, we call it the superconducting state. While in the superconducting state, we call the conductor superconductors. Superconductivity and anti-magnetic superconductors are two important features. In order to achieve practical superconducting materials, scientists have spent decades exploring the course.

key words: Superconductors Applications Principles

一般材料在温度接近绝对零度的时候,物体分子

热运动几乎消失,材料的电阻趋近于0,此时称为超导体,达到超导的温度称为临界温度。超导体的一系列应用与发展正是基于超导体这一特殊的性质。本文对超导体的原理、性质以及它在现代技术的广大应用进行具体的介绍。超导体原理的介绍

1911年,卡末林发现了零电阻的现象。1914年,他又发现,将超导体置于磁场中,当磁场增大到某一临界值B C时,或者在超导体中通过的电流密度超过某一临界值j C时,超导体都将从超导态转

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变为正常态。人们常用临界温度T C、临界磁场B C 和临界电流密度j C表征超导材料的超导性能,这三个临界参量的值把材料的超导态所存在的范围限定在如下图所示的三条曲线构成的曲面以内。

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但是对于超导的现象,其背后的理论是什么呢?下面对其进行具体的介绍。

1麦斯纳效应

1.1理想导体的磁学性质

如果把超导体看成是电阻为零并遵守欧姆定律的所谓理想导体,则遵守欧姆定律:

j=δE

由δ→∞可得理想导体内

E i=0

再由电磁感应定律的微分形式可得

-?B/ ?t =? ?E = 0

这就是说,在理想导体中不可能有随时间变化的磁场,即在理想导体内部保持着当它失去电阻时(由此可见理想导体也有从非理想导电性的状态向理想导电性状态的转变,即临界状态。)样品内部的磁场,可以认为磁通分布被“冻结”在理想导体中,外加磁场的变化不能改变“冻结”在理想导体内部的磁通分布。其物理解释是:外加磁场的任何变化都会在样品表面感生出无阻电流,而这无阻电流在样品内产生的磁场与外加磁场的变化在样品内部的磁通分布处处相等而相反,结果理想导体内部的磁场不变”

1.2超导体的完全抗磁性迈斯纳效应

为了研究超导体的磁学性质,1933年迈斯纳(W.F.Meissner)和奥克森菲尔德(R.Ochsenfeld)测量了锡和铁的样品外部的磁场分布。他们发现,不论是在没有外加磁场或有外加磁场的情况下使样品从正常态转变为超导态,只要T

迈斯纳效应表明,处于超导态的超导体决不允许磁感应强度B存在于它的体内,即超导体具有完全抗磁性。超导体在磁场中得行为与加磁场的次序无关,与它所经历的过程或历史无关。如图所示,在外磁场中冷却样品后再退磁场到零的过程中,超导体则体现出完全抗磁性,这是理想导体所不具有的一种性质。

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在给定的条件下,超导体的磁状态是唯一确定的,与达到这一状态的具体过程无关。零电阻现象和完全抗磁性是超导体的两个独立的基本性质。

1.3二流体模型伦敦方程

超导体的完全抗磁性可以用唯象的二流体模型和伦敦方程来解释。

为了解释超导电性的某些热力学性质,1934年高脱(Gortor)和卡西米(Gasimir)提出了一个唯象的二流体模型。他们假定晶体中自由电子由正常的和超流的两部分电子组成。他们具有不同的性质。一方面,正常电子形成的电流j n靠电场E来维持,并遵从欧姆定律:

j n=δE。

另一方面,超导电子不遵从欧姆定律,在电场力e S E 的作用下,超导电子遵从得自牛顿第二定律的加速方程

m S ×dυ/dt=e S E

式中m S

υ和e S表示超导电子的质量、运动速度和电荷。

这个模型可定性描述纯金属和浓度高的合金超导体的热导率随温度变化的关系。但不能解释电磁波吸收等现象。

伦敦方程是F.伦敦(Fritz London 1900~1954)和H.伦敦(Heinz London 1907~1970)所建立的超导体的

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电动力学方程,成功地解释了超导体一系列奇特的电磁性质。

伦敦方程预言了表面透入层的存在。而且当超导体的尺寸与λ相近时,磁场会透入到样品中心。因此小尺寸超导体不具有完全抗磁性,它在磁场中的能量就比大块超导体低,从而临界磁场会高于大块样品。

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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。

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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。

2磁通量子化约瑟夫森效应

对于具体空腔的复连通超导体,例如中空圆柱超导体或超导环等,假定在高于TC的温度下沿轴向加一磁场,然后再冷却到TC以下,这时在超导体实体内的磁场被排出,而孔道中得磁通量基本不变。即使撤去外磁场,孔道中得磁通量仍然不变,由超导体表面上的超流电流维持着。实际上,超导体表面上感应出来的表面电流分布在表面层的一定厚度内,在此厚度内磁感应强度从表面外的值逐渐衰减到体内的B i=0。可以用穿透深度d来表征该表面层的厚度,其大小约为10-7m。

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穿过复连通超导体的内孔以及内表面穿透区域的总磁通量,成为类磁通。理论和实验都证明,类磁通是守恒的,其取值是量子化的,最小单位是是磁通量子,其2002年的国际推荐值为

Φ0 =h/2e=2.06783372(18)×10-15Wb

量子力学中,当两层正常的金属用薄绝缘层隔开时,电子能够穿过绝缘层势垒,称为隧道效应。1962年由B.D约瑟夫森首先在理论上预言,在不到一年的时间内,P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。

两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来,绝缘层对电子来说是一势垒,一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中,这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时,隧道效应不明显,太薄时,两块超导体实际上连成一块,这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森效应主要表现为:

直流约瑟夫森效应结两端的电压V=0时,结中可存在超导电流,它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流Ic,就始终保持此零电压现象,Ic称为约瑟夫森临界电流。Ic对外磁场十分敏感,甚至地磁场可明显地影响Ic。沿结平面加恒定外磁场时,结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。改变外磁场时,通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化,描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线,称为超导隧结的量子衍射现象。

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交流约瑟夫森效应结两端的直流电压V≠0时,通过结的电流是一个交变的振荡超导电流,振荡频率

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(称约瑟夫森频率)f与电压V成正比,即f=V,e为电子电量,h为普朗克常数,这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率,当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时,就发生共振,此时有直流成分的超导电流流过隧道结,在I-V 特性曲线上可观察到一系列离散的阶梯式的恒定电流。测定约瑟夫森频率f,可由电压V测定常量2e/h,或从已知常量e 和h精确测定V。

超导量子干涉器件是利用约瑟夫森效应和磁通量子化制成的,这种器件测量磁通量的灵敏度可达10-20Wb·Hz-1/2。用它作为探头制成的测量微弱磁场和电压的极其灵敏的仪器装置,已广泛应用于物理学和医学的各个领域。

3超导磁体的性质

自从1911年发现超导电性以来,人们就一直设法用超导材料来绕制超导线圈——超导磁体。但令人失望的是,只通过很小的电流超导磁体就失超了,即超导线圈从电阻为零的超导态转变到了电阻相当高的正常态。直到1961年,孔兹勒等人利用Nb3Sn超导材料绕制成了能产生接近9T磁场的超导线圈,这才打开了实际应用的局面。

在Nb3Sn这类非理想的第Ⅱ类超导体中,缺陷和位错对进入体内的磁通涡旋线具有阻止其运动的钉扎,从而维持磁通涡旋线在超导体内的不均匀分布。只有当体电流密度超过一定的临界值jC时,电磁力超过钉扎力,磁通涡旋线材会发生流动而出现损耗。

超导磁体在很多方面都比常规磁体优越。首先,超导磁体稳定运行时本身没有焦耳热的损耗,可以大量节约能源。其次,超导材料可以有很高的电流密度,因此超导磁体体积小,重量轻,而且可以较容易地满足关于高均匀度或高磁场梯度等方面的特殊要求。最后,中小型超导磁体的制作和使用都很方便。

超导磁体工作的稳定性问题是必须认真对待的,因为一些原始扰动有可能引起恶性循环而造成大量放热,使超导体提前失超甚至烧毁。

4超导体的应用

从目前的研究情况来看,超导技术的应用可分成三类:

一是用超导材料作成磁性极强的超导磁铁,用于核聚变研究和制造大容量储能装置、高速加速器、超导发电机和超导列车,以解决人类的能源和交通问题;二是用超导材料薄片制作约瑟夫逊器件,用于制造高速电子计算机和灵敏度极高的电磁探测设备;三是用超导体产生的磁场来研究生物体内的结构及用于对人的各种复杂疾病的治疗。

(1) 托卡马克装置中的超导磁体

世界上最先进的托卡马克装置内的所有磁体均采用超导磁体。它可以用来研究等离子在磁场加速和约速下产生聚变。聚变时产生的强大能量,具有很高的经济价值和广泛的应用潜力,聚变能应用在发电方面优点尤其突出。在研究核聚变的装置中所采用的超导磁体有许多优点,从长期使用的角度来看,超导磁体的能耗小,成本低,是一种理想的磁体。由于超导磁体的零电阻的特性,在处于超导状态时几乎不产生热,因此在不失超的情况下,可使电流很大而又不产生能量消耗,实现了我们所希望的强磁场低能耗的要求。用这样一个能耗小的强磁场,在核聚变装置中实现聚变反应产生的巨大的聚变能,真正做到投入少产出高。

(2)超导磁悬浮列车

超导磁体系统用于火车的动力系统可生产出超导列车,这种列车具有低噪声、高速度、低消耗的特点。其原理是:在列车上装有超导磁体系统,当列车一旦运行时,下面的铁轨在磁体的交变磁场作用下产生涡流,这种涡流产生的磁场与列车上超导磁体的磁场相互作用,产生相斥作用力,可托起列车,当列车被托起后,它的运行阻力将大大减少,这样它的运行速度是普通列车无法比拟的,此外,它的两侧也安装超导磁体,在导轨的侧壁也装上导电板,根据电磁学原理,火车的导向问题也可以解决。导轨侧壁的悬浮线圈和导向线圈均与电力电缆相联。一旦列车从中心偏向任一边,列车所靠近的一侧上的线圈将向车体施加斥力,而与列车间距加大的一侧则向车体施加吸力,从而保证列车在任何时候均在导轨的中心。

(3) 超导核磁共振层析成像仪

今天,科学家已发明了一种新的诊断仪器——超导核磁共振层析成像仪,该诊断仪器是根据核磁共振的原理对人体进行诊断。所为核磁共振,是具有核磁矩的物质在一定的恒定磁场和交变磁场同时作

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用下,会对变化的电磁场产生强烈的共振吸收现象,称为核磁共振。超导核磁共振层析成像仪中的超导磁体可以在一个大的空间产生一个均匀的强磁场,故这种新的成像仪的分辨率很高。从生物磁学中我们可以知道,不同的核和同种核在不同的微观环境中有不同的共振谱线,因此可以由核磁共振谱线对人体的组成、状态、结构和变化过程进行分析,从而获得人体的生理和病理的信息。人们在核磁共振的原理下,进一步采用的超导核磁共振层析成像仪,可以得到人体、生物和材料内部某些核的浓度和状态的截面图像,并且可以获得三维截面图像,这种可以对人体内部的结构进行精细的分析,从而对人体的状态进行合理的诊断,判断人体组织是否发生病变。

(4) 超导测辐射热计

探测红外辐射用的测辐射热计是一种测辐射能的仪器,为了提高测辐射热计的灵敏度,就必须使它在低温下运行,如果利用超导体的某一种随温度而急剧变化的性质,那么超导体就可以成为有效的探测元件。第I类和某些第II类超导体处于临界温度时电阻率就有这种性质。例如,锡在发生正常超导转变时,只要入射的辐射能使处在Tc 的温度改变10-4K,就可以探测电阻的变化。此外,在低温下运行,不仅可以降低热噪声,而且由于比热的减小,可以使灵敏度提高。

超导体技术的应用还有很多,不能全部一一列举,仅仅介绍几种。以上在能源、高精度仪器和生物医学三个方面介绍超导技术的应用,许多介绍是从当今世界上最前沿的研究领域中引入的,它们的应用所需要(有的需相当长的时间)的时间是待定的,还要人们的艰苦的工作。

参考文献:

[1]陆果基础物理学教程[M] 北京:高等教育出版社

2006

[2]岳小萍理想导体与超导抗磁性河南2011.8

[3]庄勇永杨公安超导材料研究进展及其应用陕西

2009

[4]周耀辉超导材料的发展状况.