超导电现象与超导体

超导体的工作原理
超导体的工作原理基于超导现象。

超导现象是指在超导体低温条件下，电阻突然变为零，导电电流流经超导体时能够无损失地传输。

超导体的工作原理主要涉及两个方面：电子之间的库仑相互作用和库珀对。

1. 库仑相互作用：在超导体中，当温度降低到超导临界温度以下，电子之间的相互作用变得较弱。

正常情况下，电子具有电荷，移动时受到其他电子与原子核的排斥力，产生电阻。

但当温度降低到超导临界温度以下，电子之间的库仑相互作用会减弱，表现为相互之间的斥力减小。

这使得电子能够自由地通过超导体而不会受到电阻的影响。

2. 库珀对：除了库仑相互作用，超导体中还存在库珀对。

库珀对是由两个反向自旋的电子组成，它们通过相互吸引形成的。

在超导临界温度以下，超导体中的电子会通过与晶格中的振动子相互作用，形成库珀对。

这些库珀对能够在超导体中自由移动，从而不受电子与原子核的散射，进一步减小了电阻。

库珀对的形成与锂曼能隙有关，而锂曼能隙则与超导体的性质和化学组成有关。

总之，超导体的工作原理是由库仑相互作用和库珀对协同作用所导致的。

温度降低到超导临界温度以下时，电子之间的相互作用减弱，形成库珀对，并且库珀对能够自由地在超导体中移动，从而实现了无损耗的电流传输。

超导体的工作原理
对于超导电器件的设计和应用具有重要意义。

物理学中的超导现象超导现象是物理学中一种特殊的电性现象，指的是某些金属或化合物在低温下，电流可以在其内部自由流动而不产生电阻。

这一现象首先在1911年被荷兰物理学家海克·卡末林降温到4.2开尔文时观察到，并由此获得了诺贝尔物理学奖。

超导现象在后续的科研中得到了广泛的关注和研究，并产生了重要的应用价值。

一、超导现象的发现和基本原理超导现象的发现是通过测量电阻来进行的。

传统金属在低温下电阻会随温度的降低而减小，但总会存在一定的电阻。

而超导体在一定的低温下，当电流通过时电阻会迅速降至零，电流可以在超导体内部自由流动。

这种特殊的电子输运机制被称为Cooper对（Cooper pairs）。

超导现象产生的基本原理是电子组成电流时会相互散射，通过与晶格的振动相互作用而产生电阻。

在超导体中，由于低温下电子和晶格的相互作用被压制，且电子之间会产生一种配对的状态，这样电子就能在超导体里自由流动而不受阻碍。

这种电子之间的相互配对被称为Cooper对。

Cooper对的形成是由于晶格振动引起电子之间的吸引力，这种吸引力能够克服电子之间的库仑排斥力。

二、超导现象的分类超导现象分为一类和二类超导现象，主要区别在于外加磁场的影响。

一类超导现象是指在外加磁场下，超导体会完全失去超导状态。

这是因为外加磁场会破坏超导体内的Cooper对，从而导致电流产生电阻。

一类超导体的临界磁场较低，因此在应用上有限制。

二类超导现象是指在外加磁场下，超导体仍能保持部分的超导性。

在此情况下，超导体内部会形成磁通管（flux tube），Cooper对不会完全消失，但会形成势坑。

而势坑内的磁通管能量较低，电流可以继续自由流动。

三、超导现象的应用1. 磁共振成像（MRI）超导体的特性使其在医学成像中有着广泛应用。

MRI技术利用超导磁体产生强大的磁场，通过对人体组织的成像来诊断疾病。

超导体的低电阻性能使得MRI设备能够产生持续和稳定的强磁场，并提供高分辨率的图像。

超导体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。

发展史1911年：超导电性的发现1911年，荷兰科学家卡末林—昂内斯(Heike Kamerlingh-Onnes)用液氦冷却汞，当温度下降到4.2K（﹣268.95℃）时，水银的电阻完全消失，这种现象称为超导电性，此温度称为临界温度。

根据临界温度的不同，超导材料可以被分为：高温超导材料[1]和低温超导材料[2]。

但这里所说的「高温」，其实仍然是远低于冰点0℃的，对一般人来说算是极低的温度。

1933年1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。

经过科学家们的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，下一个难关是突破温度障碍，即寻求高温超导材料。

1973年1973年，发现超导合金――铌锗合金，其临界超导温度为23.2K（﹣249.95℃），这一记录保持了近13年。

1986年1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物（镧钡铜氧化物）具有35K（﹣240.15）的高温超导性。

此后，科学家们几乎每隔几天，就有新的研究成果出现。

1986年，美国贝尔实验室研究的超导材料，其临界超导温度达到40K（﹣235.15℃）液氢的“温度壁垒”（40K）被跨越。

1987年1987年，美国华裔科学家朱经武以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K（﹣185.15℃）以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。

1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K（﹣150.15℃）。

从1986－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。

来自德国、法国和俄罗斯的科学家利用中子散射技术，在高温超导体的一个成员单铜氧层Tl2Ba2CuO6+δ中观察到了所谓的磁共振模式，进一步证实了这种模式在高温超导体中存在的一般性。

三个基本参数超导体的基本特性之一是零电阻(完全导电性)，就是说在超导临界转变温度之下，超导体可以在无电阻的状态下传输电流。

超导体的另一个基本特性是完全抗磁性。

也就是说超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入。

这个现象是迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Oschenfeld）在1933年发现的，所以称做迈斯纳效应。

严格说来，完全抗磁性是超导体的更本征的特性。

迄今为止，除了超导体外，还没有发现其它任何材料具有完全抗磁性。

而对于零电阻和非常小的电阻的区别，在量上是很难定义的，尤其是在测量中受到所使用仪器精度的限制。

所以人们在鉴别某种材料是否是超导体时，除了使用电阻法来测量样品的电阻外，更多的是使用磁测量的方法来测量样品的抗磁性。

当然，现在如果要鉴定某种材料是否是超导体，两种方法会同时使用，使结论更加准确。

即使在低于超导临界转变温度时，超导体也不是可无限制地通过电流而仍处于无电阻的状态。

当所通过的电流达到某一数值时，超导体将失去超导特性，变成具有电阻的一般正常导体。

在一定温度下（这个温度一定低于超导体的临界转变温度）这个使超导体转变成正常导体的电流值就称为该超导体临界电流。

为了更好地把超导体的超导载流能力与材料固有性质联系起来，人们一般用临界电流密度来表述超导体的载流能力。

临界电流密度定义为临界电流/超导体通流截面积。

另外，超导体在不同的温度下的临界电流密度是不同的。

温度越低，临界电流密度会越大。

所以在谈及临界电流密度时应指出是在什么温度下的临界电流密度。

超导体除了超导临界转变温度、临界电流密度外，还有一个重要的特征参数，这就是临界磁场强度。

当把一个超导体置于一个磁场中，在磁场的强度小于一个特定的数值时，超导体会表现出迈斯纳效应，把磁力线完全排斥在超导体之外，超导体内部的磁场为零。

当磁场的强度超过这个特定的数值时，磁力线就会进入超导体的内部，超导体也随之失去了超导的特性。

这个特定的磁场强度的数值就叫做该超导体的临界磁场强度。

临界电流随温度变化的关系为，
T I C (T ) I C 0 (1 2 ) TC
式中IＣ０是绝对零度时的临界电流。
2
小结： 超导体 • 1. 两个基本属性： （1）零电阻效应 （2）迈斯纳效应 2. 三个基本参数： （1）临界温度TＣ （2）临界磁场HＣ （3）临界电流IＣ
§9.2 超导电性的基本理论
第九章
超导电性
§9.1 超导现象及基本规律
§9.2 超导电性的基本理论
§9.3 超导体的类型
§9.4 超导隧道效应
§9.1
• 9.1.1
•
பைடு நூலகம்
超导现象及基本规律
1908年，荷兰的物理学家昂纳斯 （Onnes）将氦气液化(4.2K).
• 1911年，昂纳斯（Onnes）在研究 水银电阻在液氦温区的变化规律 时，首次观察到超导电性。 4.2K以下，发现水银的电阻突然消失，呈现零 电阻状态。
同位素效应的意义：
(a) 在式Ｍα ＴＣ＝常数 式中，原子质量 M反映了晶格的性质，临界温度TＣ 反映 了电子性质，同位素效应把晶格与电子 联系起来了。在固体理论中，描述晶格 振动的能量子称之为声子，同位素效应 明确告诉我们电子-声子的相互作用与超 导电性有密切关系。
(b) 人们发现导电性良好的碱金属和贵 金属都不是超导体，其电子－晶格相互作 用很微弱。而常温下导电性不好的材料， 在低温却有可能成为超导体。此外临界温 度比较高的金属，常温下导电性较差。这 些材料的电子-声子相互作用强。 因此，弗洛里希(H.Frolich)提出电子声子相互作用是高温下引起电阻的原因， 而在低温下导致超导电性。 同位素效应支持了弗洛里希提出的电 子-声子相互作用的探讨方向。
图9-3 （a）

超导电基本现象和基本规律
这种在低温下发生的零电阻现象, 被称为物质的超 导电性, 具有超导电性的材料称为超导体。电阻突 然消失的温度叫做超导体的临界温度, 用 Tc 表示
Tc 是物质参数, 同一种材料在相同条件下有确定 的值。例如: Hg 的 Tc=4.15K, Pb 的 Tc=7.201K, 等
由此得到与外场成比例的磁化强度
同时体内的磁场强度
3 M H0
2
M3 HH0 H0
32
球外的磁场就等于外磁场再加上等于整个球体的磁 矩的偶极子的磁场。很多精确的检验迈斯纳效应的 实验是靠测量物体的磁矩
超导电基本现象和基本规律
Meissner 效应
超导电基本现象和基本规律
§10-2 超导转变和热力学
超导电基本现象和基本规律
以上实验所确定的迈斯纳效应, 往往概括成: 超导体具有完全的抗磁性
即在超导体内保持 B 0
超导电基本现象和基本规律
完全的抗磁性并不是说磁化强度和磁 场强度等于零, 根据 B=μ0(H+M), 有
MH
除去一些特殊情况, 例如样品为圆柱体, 而 外磁场 H0 平行于轴线; 或样品为无限大平 面, H0 平行于表面, 外磁场 H0=H, 其它形 状的样品都因有退磁场的作用使 H≠H0
当温度在 Tc 以上时, 超导体和正常金属一样, 具有有 限的电阻值, 这时超导体处于正常态; 当温度在 Tc 以 下时, 超导体进入零超电导电阻基本状现象态和基—本规—律 超导态
低温技术的进展, 使人们能够获得比氦沸点(4.2K)更 低得多的温度。实验发现超导电性是相当普遍存在 的。人们发现在常压下有超导转变的元素共计 28 种
超导电基本现象和基本规律
以球形样品为例, 在均匀外场中将沿磁场方向均匀磁 化。如果磁化强度为 M, 则各处磁场强度可以根据 M 所引起的表面“磁荷”分布计算, 这样磁荷应在球内产 生均匀磁场强度（退磁场）

超导体的工作原理超导体是一类具有特殊性质的物质，其工作原理基于超导现象的产生和传输电流的方式。

超导体的工作原理可以从以下几个方面来详细解释。

1. 超导现象的产生超导现象是指在低温条件下，某些物质的电阻突然变为零，电流可以无阻碍地通过。

这是由于超导体中存在一种特殊的电流传输机制——库珀对的形成。

库珀对是由两个电子组成的配对，它们可以以零电阻的方式穿过超导体结构，从而导致超导现象的发生。

2. 临界温度超导体的工作需要低温条件下进行，这是因为超导现象只在临界温度以下才能发生。

临界温度是超导体能够实现零电阻状态的最高温度，不同的超导体材料具有不同的临界温度。

目前已经发现的超导体材料中，最高的临界温度约为-135摄氏度，这意味着超导体需要冷却到非常低的温度才能产生超导现象。

3. 超导体的结构超导体通常采用复杂的结构来实现超导性。

其中一种常见的结构是由导体和绝缘体组成的层状结构，导体层用于传输电流，而绝缘体层则用于限制电流的散失。

这种结构可以降低电流的损耗，从而提高超导体的效率。

4. 凝聚态物理学理论超导体的工作原理可以用凝聚态物理学的理论来解释。

凝聚态物理学研究微观粒子在固体中的行为，通过量子力学的原理来解释超导现象。

其中一个重要的理论是BCS理论，它解释了超导现象与电子之间的配对有关。

根据BCS理论，超导体中的电子通过和晶格振动相互作用，形成库珀对，从而实现零电阻。

5. 应用领域超导体的工作原理为其在各个领域的应用提供了基础。

超导体的零电阻特性使其在能源输送和储存方面具有潜在的应用价值。

例如，超导电缆可以将电能远距离传输而几乎不损失能量，这对于大规模输电系统来说具有重要的意义。

此外，超导体还被广泛应用于磁共振成像、粒子加速器等领域。

总结起来，超导体的工作原理是基于超导现象的产生和电流的传输方式。

超导体通过低温条件下的库珀对形成实现零电阻，这需要复杂的结构和凝聚态物理学的理论解释。

超导体的工作原理为其在能源输送、磁共振成像等领域的应用提供了基础。

超导电性的原理及其应用前景超导电性是一种独特的物理现象，它指的是在低温下某些材料的电阻降至零。

这种现象被广泛应用于科学研究和技术领域，比如超导磁体、超导线材、超导电机等等。

本文将从超导电性的原理、实现方式以及应用前景三个方面来探讨这种神奇的物理现象。

一、超导电性的原理超导现象的发现可以追溯到1911年，当时荷兰物理学家海克·卡梅林根据麦克斯韦-波尔兹曼理论预测，在绝对零度下仍有可能存在一种几乎完美的电导体。

而这种理论预测，得益于量子力学的诞生，故称为BSC理论，其主要思想是在原子尺度上，电子之间存在弱吸引力，通过构成库珀对，从而体现超导电性。

具体来说，超导材料在低温下可以大量的生成非常强的库珀对。

这种特殊的电子对因为相互吸引而彼此结合在了一起，而且对于外部电场几乎没有任何反应。

当正常材料导电时，电子之间会受到杂质、晶格振动和外部电场的干扰，因此很难保持相互结合并且运动流畅。

而当超导材料降温到一定程度时，晶格振动会变得越来越弱，电子自然就更容易彼此结合，从而形成了高度协作的电流传输状态，引起了超导电性。

对于不同的超导体，其致超温度具有不同范围，自然也有非常不同的获得温度（温度越高，挑战也就越大），可以是近0K的低温超导材料，也可是30多度K 的高温超导材料。

二、超导电性的实现超导电性是非常神奇的物理现象，但它实际应用时需要做到一些技术性方案，才能达到预期的效果。

超导材料的制备、制冷技术的发展，都在推动着超导电性应用的不断扩大。

超导材料的制备是实现超导电性的一个关键点。

对于低温超导材料，目前主要制备方式是低温蒸发法，将合金加热到化合物体系的原始组成，然后对其进行某些处理以改善电性和超导性能。

对于高温超导材料，目前采用的是锰铝比例共沉淀法，或者提高煤质的盘状微晶法等。

制冷技术发展是实现超导电性的另一个重要方面。

低温超导材料需要使用液氦来冷却到极低的温度，而高温超导材料则可以使用制冷剂，如液氮。

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。
5:超导体的应用
❖ 电子学应用
自1962年超导量子隧道效应发现以后，超导技术在 电子学中的应用揭开了新的篇章，经过多年的发展， 至今已有许多新型的超导电子器件研制成功，这些 超导电子器件包括：超导量子干涉器（SQUID）、 超导混频器、超导数字电路、超导粒子探测器等。
❖ 生物医学应用
超导技术在生物医学中的应用包括超导核磁共振成 像装置（MRI）和核磁共振谱仪（NMR） 核磁共振成像的原理是基于被测对象的原子磁场与 外磁场的共振现象来分析被测对象的内部状态。
※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， 且为作德用 拜势 频的 率大 。小 ）不实变际。上（在能晶层体范中围与为电子相D 关的相D 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理论计算有相当的出入。——此时应当用强耦 合理论对其加以修正。
※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：
j (r , t)
3
4l
d 3r
R
R A(r)
R4
eR/p
其中， 并且假设 a
nse2 m

超导体是一种特殊的材料，具有零电阻和完全磁场排斥的性质。

它们在超低温下表现出超导电性，能够让电流以零电阻的方式通过。

超导电流是由超导体中的电子对组成的，这些电子对被称为库珀对，它们与材料中的晶格相互作用并形成了一个稳定的状态。

超导体的发现可以追溯到1911年，荷兰物理学家海克·卡末林发现，当他将汞冷却到低温以下的液态，电阻突然消失了。

这种现象被称为超导性，而卡末林也因此获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

从那以后，人们发现了许多具有超导性的材料，包括铅、铝、铜氧化物等。

尤其是高温超导体的发现，使超导技术得到了巨大的发展。

超导电流是超导体中特有的电流。

在一般的导体中，电流的传输需要克服材料内部的电阻，导致能量的损耗和热量的产生。

然而，在超导体中，由于其零电阻的特性，电流的传输是无能量损耗的。

这意味着超导电流可以无限制地流动，而不会受到电阻的限制。

超导电流对许多领域具有重要的应用价值。

例如，在电力输送上，由于超导电流没有能量损耗，可以实现高效的电能传输。

超导电线可以比传统的铜线更紧凑，减少能源损耗，提高输电效率。

此外，超导技术可以用于制造高速磁悬浮列车，超导磁体等交通工具和设备，提高运输效率和节能。

此外，超导电流还具有强大的电磁性能。

当超导体处于强磁场中时，它会产生巨大的磁化电流，这被称为Meissner效应。

利用这一效应，超导体可以制造出强大的磁体，用于磁共振成像（MRI）等医疗设备，粒子加速器和核磁共振等科学实验。

超导体和超导电流的研究也在不断发展着。

从最初的低温超导体到现在的高温和常温超导体，科学家们一直在寻找新的材料和机制来提高超导性能。

研究人员还在努力发展更经济可行的冷却技术，以便超导材料能够在更广泛的领域中得到应用。

总之，超导体和超导电流是一种具有特殊性质和广泛应用前景的材料和现象。

通过研究和应用超导电流，未来我们有望在能源、交通、医疗等领域实现更高效、更环保的解决方案。

随着科学技术的不断进步，相信超导体和超导电流将会发挥更加重要的作用。

超导电性基础理论超导电性是一种奇特的物理现象，指的是某些材料在低温下电阻为零，电流可持续通过，而不会发生能量损失。

这种现象被广泛应用于电力输送、医疗、通信等领域。

本文将介绍超导电性的基础理论，包括超导的概念、超导材料的分类和超导现象的解释等。

超导的概念超导是指某些材料在低温下，电流的电阻为零的现象。

这种现象最早被荷兰物理学家海格夫发现，也因此称为海格夫现象。

后来，随着科学技术的发展，人们发现了很多其它具有超导现象的材料，如铜氧化物和铁基超导体等。

超导材料的分类超导材料可分为两大类： Type I 超导体和 Type II 超导体。

Type I 超导体是指自然中最早发现的超导体。

它们的临界温度一般较低（小于 -250℃），对外加磁场不太敏感，而且由于磁通的数量是量子化的，因此它们输运磁通时，磁通显得异常突出。

Type II 超导体则是指临界温度比 Type I 超导体高且对磁场灵敏度较高的超导体。

Type II 超导体可用于制造高场超导磁体等。

超导现象的解释超导现象的理论解释分为两种：凝聚态物理学中的 BCS（巴狄斯-库珀-施里弗）理论和量子场论中的 Ginzburg-Landau 理论。

BCS 理论解释超导体在低温下电阻为零的现象。

BCS 理论认为，超导体中存在一种被称为库珀对的粒子对，这种粒子对由两个电子组成。

低温下，粒子对之间会发生晶格畸变，形成一个带电的对，自由电子在这个电荷场中移动时不会受到任何阻力。

而Ginzburg-Landau 理论则是量子场论中对超导体的描述。

该理论认为，超导体中存在一种相位具有确定性的超导电子。

这种超导电子和普通电子相比，具有更高的电动势、更长的寿命和更低的能量损失。

结语超导电性是一种重要的物理现象，具有广泛应用前景。

超导电性的基础理论主要有 BCS 理论和 Ginzburg-Landau 理论，这些理论为我们深入了解超导电性提供了重要的理论支持。

随着科学技术的不断发展，超导材料的制备和应用将会得到更多的突破。

1911年荷兰莱登实验室的昂尼斯（H. N. Onnes ），在测量低温下水银 的电阻率的时候发现，当温度降到4. 2K时，水银的电阻率急剧下降，以至 完全 测不 出来 （当 时的 测量 精度 为10- 5 欧） 。这 种现 象叫 超导 点现 象。
根据电阻变化情况，昂尼斯认为水 银在4. 2K（当时将4. 15K误认为 4. 2K）以下进入了一个新的物态，并将之定义为超导态。能够产生超导态 的 物 体称 为 超导 体 。目 前已 经 探明 有 26种 元素 、 几千 种合 金 和化 合 物可 成 为 超导 体。
目前人们能检测电阻率的最小值为10- 27欧· 米 当超 导体 在 临界 温度 Tc以 下处 于超 导 态时 ，其 电 阻率小于10- 27欧·米，导体上的电流不产生热效 应 ，没 有能 量 消耗 。有 人曾 将一 个用 超导 体 制成 的 圆 环， 放入 温 度低 于Tc 的空 间， 并利 用电 磁 感应 ， 在 环内 激励 起 感应 电流 。实 验的 结果 是， 处 于超 导 态 时， 电流 维 持了 两年 半而 没有 衰减 。将 温 度升 高 后 （高 于Tc ）， 圆 环材 料由 超导 态变 为 正常 态， 电 阻 骤然 加大 ，电 流立 即消 失。 超 导 体具 有完 全抗 磁性 的 原因 ：在 增加 外 磁场 的过 程中 ，超 导 体的 表 面 产 生了 超 导电 流， 超 导电 流 产生 的磁 感 应强 度 将体 内的 磁 感应 强度 完 全 抵 消 掉了 。 当外 磁场 稳 定时 ， 超导 体表 面 的超 导 电流 也稳 定 ，并 一直 持 续 下 去， 使超 导体 内部 始终 保持 B=0。 因 为 超导 体具 有这 些优 良 的特 性。 从本 世 纪初 被发 现后 ，一 直 为世 人 所 瞩目 ，成 为探 索和 研究 的热 门课 题。 自从 1988年发 现临 界温 度30K的陶 瓷 超 导 体后 ， 超导 研究 日 新月 异 ，一 系列 高 温超 导相 继 被开 发 。高 温超 导 材 料 的不 断问 世， 为超 导材 料从 实验 室走 向应 用铺 平了 道路 。 超 群的 超导 磁体 。超 导材 料最 诱人 的应 用是 发电 、输 电和 储能 。 由 于 超导 材料 在超 导状 态 下具 有零 电阻 和 完全 的抗 磁性 ，因 此 只需 消 耗 极 少的 电 能， 就可 以 获得 10万 高 斯以 上 的稳 态强 磁 场。 而 用常 规导 体 做 磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3. 5兆瓦的电能及大量的冷却水，投 资 巨大 。 超 导 磁体 可用 于制 作交 流 超导 发电 机、 磁 流体 发电 机和 超导 输 电线 路 等。 超 导 发电 机。 在电 力领 域 ，利 用超 导线 圈 磁体 可以 将发 电机 的 磁场 强 度 提 高到 5万～ 6万高 斯 ，并 且几 乎 没有 能 量损 失， 这 种发 电 机便 是交 流 超 导 发 电机 。 超导 发电 机 的单 机 发电 容 量比 常规 发 电机 提 高5～ 10倍 ，达 1万 兆瓦，而体积却减少1/ 2，整机重量减轻1/ 3，发电效率提高50％。 磁 流 体发 电机 。磁 流体 发 电机 同样 离不 开 超导 强磁 体的 帮助 。 磁流 体 发 电 发电 ， 是利 用高 温 导电 性 气体 （等 离 子体 ）作 导 体， 并 高速 通过 磁 场 强 度 为5万 ～6万 高斯 的 强磁 场而 发 电。 磁 流体 发电 机 的结 构 非常 简单 ， 用 于 磁流 体发 电的 高温 导电 性气 体还 可重 复利 用。 超 导 输电 线路 。超 导材 料 还可 以用 于制 作 超导 电线 和超 导变 压 器， 从

超导性与超导体的特性超导性是一种令人着迷的现象，它指的是一些物质在低温下能够完全消除电阻的特性。

这种现象首先是在1911年被荷兰物理学家海克·昂恩内斯·卡梅林斯·奥尼斯发现的。

从那时起，超导性一直成为科学家们研究的热点之一。

超导体是表现超导性的材料。

根据超导体的特性，可以将其分为一代、二代和高温超导体。

一代超导体是指第一代超导材料，如铅和汞等。

虽然一代超导体的临界温度很低，但其超导性能良好，而且其研究历史悠久，目前仍在应用中得到广泛使用。

二代超导体则是指第二代超导材料，如氧化铜和钇钡铜氧等。

与一代超导体相比，二代超导体的临界温度更高，超导性能也更出色，并具备较高的工程应用潜力。

高温超导体是指临界温度在常温以上的超导材料，其发现震动了整个科学界。

高温超导体的研究是超导性领域的热点之一，相关的研究成果对于电力输运和能源储存等领域具有巨大的应用潜力。

超导体的特性主要包括零电阻、磁场排斥、完全抗磁性和低能耗等。

零电阻是指在超导体中，电流的传输是无阻力的。

这意味着电流可以在超导体内部无损失地流动，而不会产生热量和能量损耗。

这个特性使得超导体在输电领域有着重要的应用价值，可以实现高效能的电能输送，减少能源的浪费。

磁场排斥是指超导体在外加磁场下会产生磁场排斥现象。

当超导体被强磁场穿透时，它会产生一个与外磁场相反方向的磁场，这可以用于制造磁悬浮列车和磁力传输等先进技术。

完全抗磁性是指超导体在超导转变温度以下完全抗磁。

这意味着超导体对于外加磁场是完全不响应的，这个特性使得超导体在物理实验和磁共振成像等领域有着广泛应用。

低能耗是指超导体在电流传输过程中能够实现极低的能耗。

由于超导体的零电阻特性，电流可以在超导体中无损失地传输，从而减少了能源的浪费，具有极高的能源利用效率。

此外，超导体还具有一些其他的特性。

例如，超导体在超导转变温度以下具有亚伦-本固效应。

这个效应实际上是指超导体在弱电流通过下会产生一个稳定的电压。

超导电现象与超导体超导电性是某些物质在低温下出现的电阻为零和排斥磁感线的现象，这类物质称为超导体。

1911年，荷兰物理学家昂里斯发现，当温度降到4.2K时，水银的电阻突然消失，第一次发现了超导电现象。

水银电阻随温度变化的实验曲线如图1所示。

从图中可以看到，当温度T＞T1时，水银具有通常的导电性，处于正常态；当T＜T2时，水银的电阻完全消失，进入超导态。

T1是从正常态向超导态转变的拐点处的温度，称为起始转变温度。

T2是电阻完全消失的温度，称为零电阻温度。

以后，人们又相继发现了28种元素在常压下、15种元素在高压下，具有超导性，五千多种合金和化合物也具有超导性，其电阻率随温度的变化也有类似于图1的曲线。

超导体的理想导电性和完全抗磁性是超导体的两个独立而又相互联系的基本性质，常用来作为确定物质是否具有超导性的判据。

理想导电性处于超导态下的超导体的电阻极小，在目前的测量精度内测不出来，说明其电阻率的上限为10-27Ω·m，仅为室温下铜的电阻率〔1.67×10-8Ω·m〕的千亿亿分之一，完全可以视为零。

美国麻省理工学院在磁场中放上用超导材料做成的环，待环冷却至超导态后把磁场撤消，由于电磁感应在环中激起感应电流，经过两年半时间的观测，没有发现环中电流所激发的磁场有明显的衰减，说明电流无明显衰减。

因此，可以设想，超导体内部一旦有电流通过，几乎会永远流下去。

电流流动时没有能量损失，这样就可以把目前输电线路上损失掉的30%的能量节约下来，减少变电设备上的巨大投资和由于高压输电引起的火灾、触电等事故。

如果把发电机的统组线圈换成超导体，就可做成体积小、重量轻、噪音低、功率大的发电机。

利用超导体，日本在1987年还研制出了效率很高的容量为72千伏安的世界上最大的交流变压器，效率达98%。

因为超导体没有因线圈过热而被烧坏的担忧，可以通过强电流，〔不能超过临界电流密度，即能够维持超导态，在超导体中流过的最大电流密度J c〕以产生数十万高斯的磁场。

介绍超导材料和超导器件的物理性质超导材料和超导器件的物理性质超导材料和超导器件是当前物理学和电子工程学的重要研究领域，其物理性质是超导技术能够发挥出色的关键。

本文将介绍超导材料和超导器件的物理性质，包括超导现象的本质、超导态的性质、超导体的稳定性、磁通量量子化效应以及超导磁体的性质等方面。

超导现象的本质超导现象指的是某些材料在低温下具有完全减少电阻的性质。

这种现象的本质在于，在超导材料中电子对通过库伦相互作用形成了配对，能够在凝聚态中存在。

在室温下，电子之间会受到来自晶体网络的散射影响而无法形成电子对，因而电阻出现。

但是当温度足够低以至于电子之间无法被散射或散射非常微弱时，这些电子形成了具有零总角动量的波函数，即“库珀对”。

超导态的性质超导态的性质指的是超导材料在超导发生时所具有的物理性质。

在超导发生时，超导材料的电阻降至零，并且磁通线不会通过材料（也不会被材料所透磁）。

此外，超导态还表现出一系列其他特殊的物理性质，例如电场和磁场的屏蔽效应、超导体内部的局部电流、超导对外界磁场和电场的敏感性等等。

超导体的稳定性超导体的稳定性是指超导态具有的保持和维持时间的能力。

由于超导体处于零电阻状态，它在外界环境中可以持续流动电流而不会产生能量损耗。

这意味着超导体本质上是超稳定的，能够保持其超导性质在恒定电流下长期维持。

然而，过渡到正常态的临界电流极限是必须考虑的因素，即超导电流密度在超过一定值后会将材料从超导态转变为正常态，导致电阻突然增加并且产生局部的能量耗散。

磁通量量子化效应当磁场进入一个超导体时，它通常不能完全穿过材料并输出反面，因为这会导致超导体的磁通密度不断变化，从而违反能量守恒定律的原则。

量子力学证明了磁通量具有量子化的效应，即超导体中的磁通被约束在固定的单元大小（磁通量子）上，这种磁通量子化效应是超导现象的重要特征。

超导磁体的性质超导磁体是利用超导体的物理性质制成的电路元件，是当今高端电力、电子工程、核技术领域重要的设备。

超导体知识点超导体是一种在低温下表现出无电阻和完全磁通排斥现象的材料。

在超导体中，电流可以在没有任何耗散的情况下持续循环流动，这使得超导体在电磁学和能源应用等领域具有巨大的潜力。

本文将介绍超导体的基本概念、超导机制、超导材料和超导应用等方面的知识。

一、超导体的基本概念超导体是指在一定的温度下，电阻可以降至零的材料。

超导现象的发现可以追溯到1911年，在极低温下，荷兰物理学家海克·卡末林发现了汞的超导性。

此后，人们又陆续发现了其他材料也具有类似的特性。

二、超导机制超导现象的产生与电子之间的库仑相互作用密切相关。

在常规金属中，电子在受到温度和其它杂质的影响下会散射，从而产生电阻。

但在超导体中，电子可以通过与晶格振动相互作用，形成库伦对并在晶格中自由传输。

这种电子的凝聚状态使得电流可以在超导体中无阻力地流动。

三、超导材料超导材料可以分为低温超导体和高温超导体两类。

1. 低温超导体低温超导体需要在极低的温度下才能表现出超导特性。

常见的低温超导体包括铅（Pb）、汞（Hg）和锡（Sn）等。

2. 高温超导体高温超导体是指在相对较高的温度下表现出超导特性的材料。

这些材料通常包含氧化物，如铜氧化物（cuprate）、铁基超导体和镨钐铁钛基超导体等。

高温超导体的发现极大地推动了超导技术的发展，因为相对较高的工作温度使得超导体可以更方便地应用于实际生活中。

四、超导应用超导体在多个领域具有广泛的应用前景。

1. 能源传输超导体的无电阻特性使其成为输电线路的理想选择。

通过将输电线路用超导体替代传统的铜导线，可以大大减少能量损失。

2. 磁共振成像（MRI）超导体在医学领域的应用主要体现在磁共振成像技术中。

磁共振成像利用超导体产生的高强度磁场和射频脉冲，可以获得人体内部组织的高清影像，用于诊断和研究。

3. 磁悬浮交通超导体还可以应用于磁悬浮交通领域。

由于超导体可以在磁场中排斥磁通线，使得超导体制成的轨道可以与磁浮车辆产生浮力，从而实现摩擦减小、高速运行的效果。

超导列车 迈斯纳效应
超导体的发展前景
1、利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能 粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制 作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）； 可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。还可用在 太阳能电池中，如便携音箱锂电池。 2、利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。 3、利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐 射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作 计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路 的快10～20倍，功耗只有四分之一。
超导体的特性
迈斯纳效应 零电阻现象 约瑟夫逊效应
如何判定一种材料是不是超导体？？？
迈斯纳效应
在一个浅平的锡盘中，放入一个体 积很小磁性很强的永久磁铁，然后 把温度降低，使锡出现超导性。这 时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘 表面，飘然升起，与锡盘保持一定 距离后，便悬空不动了。这是由于 超导体的完全抗磁性，使小磁铁的 磁力线无法穿透超导体，磁场发生 畸变，便产生了一个向上的浮力。
零电阻现象
在较高的温度时是导体或半导体， 甚至是绝缘体，可是当温度降到某 一特定值Tc时，它的直流电阻突然 下降为零的这一现象。
约瑟夫逊效应
在线形量子力学中，由于电子等微观粒子具有波 粒二象性，当两块金属被一层厚度为几十至几百 A的绝缘介质隔开时，电子等都可穿越势垒而运 动。加电压后，可形成隧道电流，这种现象称为 隧道效应。 若把上述装置中的两块金属换成超导 体后，当其介质层厚度减少到30A左右时，由超 导电子对的长程相干效应也会产生隧道效应，称 为约瑟夫逊效应
超导体的应用以及前景
超导体的应用 超导体的发展前景
超导体的应用
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