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说明：该部分属于“电磁学”部分选修

超导材料
1 物质的超导电性
超导电性是物质在极低温条件下表现出来的特性之一。众所周知，随着温度的降低，金属的电导率会变小。那么随着温度进一步降低，接近绝对零度时，金属的电导会发生怎样的变化呢？
1911年荷兰物理学家昂纳斯在莱顿实验室测量极低温条件下汞的电阻变化时，发现了个惊人的现象：在4 2K 附近，汞的申.阻突然消失，即电阻变为0。多次实验都显示了同样的结果。电阻突然变为0 时的温度叫作“临界温度”。随后又发现锡的Tc=7.2K 也就是锡和铅在到达上述温度时，它们的电阻就会突然消失。人们就把低温下出现零电阻的物质属性称为“超导电性”，而这种物质状态被称为“超导态”。至今人们已相继发现几千种物质在低温下具有超导电性。
这些物质不限于金属，可以是半导体;也不限于单质，可以是化合物或合金。但是，它们只在高压、低温的特殊条件下才显示超导电性。 在通常条件下，金属导体都有电阻，每种金属的电阻率、电导率都不相同。完全导体就是电导率为无穷大的物体，在这种完全导体里，电流可以不需要外加电场力的维持而永远流动不息。超导体有零电阻现象，可不可以把超导体等同于完全导体呢？1933 年德国物理学家迈斯纳用实验回答了这个问题。他们小心地测量由锡做成的球形导体内外的磁场分布。做第一小组实验时，他们先加磁场，随后降低温度到锡的临界温度3.8K 以下，使锡进人超导态，这时发现球体内的磁力线被排斥于体外，即保持导体内的磁感应强度为0。做另一组实验时，他们先降低温度到3.8k 以下，使锡球进人超导态，然后加磁场，这时发现导体内磁感应强度也为0。两组实验说明，只要锡球进入超导态，不管锡球内原来有没有磁感线.都保持超导体内的磁感应强度为0。但
如果是完全导体的话.上述两组实验会产生不同的结果。因为按照法拉第电磁感应定律. 随时间变化的磁场会在它周围产生一种电场以推动电荷，那么，对于完全导体，因为它内部必须是没有电场的，也就不能有随时间变化的磁场，或者说在完全导体内磁感应强度不能改变，原有的磁感线不增加.也不能减少。所以用完全导
体做第一组实验(先加磁场使磁感线穿过导体，然后降温) ，由于完全导体内磁感应强度不能改变，它仍应保持原来的磁感线数目不变，即使再撤去外加磁场，完全导体内不维持原来的磁场通量不变，而对于第二组实验.一开始完全导体内没有磁力线，因此即使再加磁场，它仍应维持原来的磁通量为0，这与超导体实验有同样
的结果。我们从上述实验结果看到，完全导体只有磁感应强度不随时间变化的特性：而超导体的体内磁感应强度总是为0，不管它成为超导体前的情况如何。可见这两者是不能等同的。迈斯纳的实验证实了超导体内的磁感应强度总是为0，也即超导体具有完全抗磁性。这个结论也叫 "迈斯纳效应”，它反映了超导体的磁性质，由此也确认零电阻和完全抗磁性是超导体两个独立的基本电磁性质。
2 揭开超导之谜——BCS 理论
物体为什么会有超导电性？最早对此作出解释的是二流体模型。按照这种模型，超导体内的电子分为超导电子和正常电子两种。超导电子与正常电子有本质上的不同。正常电子在导体内流动时会受到晶格点阵的散射而产生电阻，而超导电子在超导体内可以自由运动而畅通无阻。随着温度的降低，有越来越多的正常电子转入超导电子的行列，当达到临界温度时，超导体内的电子全都是超导子。二流体模型成功地解释了超导体呈现的一些实验现象，如超导体内电子比热在转变点的不连续性，临界磁场跟温度的关系呈抛物线形等。随后，伦敦兄弟在二流体模型的基础上从唯象的角度提出了两个描述超导体电磁规律的电动力学方程。他们认为，超导体内总电流密度应是超导电流密度和正常电流密度之和，正常电流密度服从欧姆定律，而超导电流密度必须服从新的规律，即“伦敦电动力学方程”。由此他们计算并讨论了金属的超导电性，预言了在外磁场作用下的超导体内部的磁并不完全为0，而是有一个数量级为10-6cm 的极薄的穿透层，并把这个穿透层的厚度称为“穿透深度”。1950 年以后.伦敦方程式被更新、更精致的唯象理论 "金兹堡一朗道方程”所替代。根据金兹堡一朗逍方程，超导体可以分为第一类超导体和第二类超导体。第一类超导体大都是纯金属，而第二类超导体主要是超导合金和化合物。第二类超导体有非常大的临界磁场。是能够获得实际应用主要超导材料。
到20世纪50 年代中叶，对超导问题的研究已积累了相当的成果，使揭开超导之谜的时机已经成熟。1956 年，库珀首化提出一个关键的物理概念，即在超导体内的电子两两结成电子对，称为“库珀电子对”。紧接着在1957 年，施里弗解决了超导基态的难题. 为了了解超导基态的内容，我们先介绍一般金属的基态。按照量子理论，金属基态可以形象地用一个费米球来描述。在绝对零度时正常金属
内的自由电子不能全部都处在最低的能量状态，而是服从泡利不相容原理，按能级，由下到上、从低能级到高能级排列。每个能级有两个量子状态，只能被两个自旋方向相反的电了占据，第三个电子只能占据下一个较高的能级。依此类推，一直排到所有的电子都各就各位。最后这个最高能级就是费米能级。这样，绝对零度时电子按能级的分布是，费米能级以下的能量状态完全被电子填满，而费米能级 以上的能级完全是空的。如果以费米能级 为半径做称作“费米球”的球体，那么在绝对零度时电子全部在费米球内，这就是正常金属的基态。超导体的基态是费米面附近的电子两两组成库珀对，各库珀对中单个电子动量可以有不同的值，但每个库珀对的总动量为0。所以说从动量角度来看，库珀电子对都“凝结”在零动量上，这也就是动量凝聚现象。因此，超导基态的物理图象是低能量的电子跟正常金属内的电子一样，仍处在费米球面内部，而附近的电子.由于交换虚声子而引起的净吸引力作用，按动量和自旋相反两两结合成库珀对。也就是说当T= oK，在赵导体的费米面附近，电子全部两两结成电子对，这就是超导的基态，巴丁等人还进一步计算出把一个库珀对拆散成两个正常电子，即从超导态转变成正常态至少需要2Δ的能量。这就从理论上证实了超导体存在能隙，它的宽度为2Δ。超导能隙是超导体的一个重要特征。他们还计算了超导能隙跟临界湿度的关系，都一一被实验证实。
巴丁、 库珀、施里弗三位物理学家终于成功地建立了以库珀电子对，超导基态波函数以及超导微观理论。这一理论以三位科学家各自姓名的第一个字母被命名为“BCS理论”。BCS 理论从微观上揭开了超导之谜，不仅能定性地说明超导体表现的零电阻、迈斯纳效应、超导比热等现象，而且定量计算也跟实验基本一致。这一理论被誉为自从量子力学创立以来对物理学最大的贡献之一。为了表彰三位物理学家的卓越成绩，1972 年他们被授予诺贝尔物理学奖。
3 高临界温度超导体
金属的超导电性是1911年由昂纳斯首先发现的。超导体的临界温度都极低，这样低的温度只有液态氦才能获得。由于制备液态氦的设备和技术都非常复杂，制冷效率较低，制备成本又高，因此对超导体的实用化仅停留在理论上。在漫长的70 多年的岁月里，为了提高超导体的临界温度，科学家们作了不懈的努力.但进展缓慢。1911 - 1973 年间临界温度以平均每年0.3K 的速率提高。
到1973 年，美国贝尔实验室发现了“临界温度”为23.2K的超导材料,此后又有十多年的停滞不前。在此期间，人们还发展了粒子束注入、区域融化、溅射、激光退火以及高温高压合成等特殊制备技术以提高多年来一直研究的金属元素、合金和化合物等材料的Tc，但都未取得明显的成效。直到1986 年，瑞士苏黎世IBM 实验室的贝德诺尔兹和缪勒提出的钡、镧、铜氧化物体系的高Tc超导体以后，开辟了高温超导体研究的新方向，在世界掀起高温超导体研究的热潮。当时他们获得钡斓铜氧化物的Tc是30K。时隔不久，美国休斯顿大学的华裔学者朱经武宣布他们合成钇钡铜氧化物系超导体，它的起始临界温度是98k，而且是在液氮温度77K下测试的。与此同时，中国科学院物理所赵忠贤等科学家合成的钇钡铜氧化物起始温度是100k.… 这些成果轰动整个科学界，标志着超导体研究已进入液氮温度的新时代。氮气资源丰富，液氮的制备和携带都比较方便，价格电大大低于液氦，因而为超导体作为应用材料提供了重要的条件，使得用超导材料制成各种实用的超导器件有了可能。 但是，科学家们的最终理想是继续把超导体的临界温度提高到室温，这样就不再需要辅助的制冷设备厂。用超导材料、超导器件来改革和更新科学技术各领域中的仪器和设备，必将会产生一个崭新的物质世界！
4.超导体的应用
(1)电子学的应用：超导体由于没有热损耗，它是集成电路中理想的内引线材料，它能减少晶体管和集成电路的热量，还能消除电路中的磁干扰。
(2)强电力系统中的应用：世界上第一台用超导 线绕组做成转了的发电机在美国MTT完成和最终测试的。
(3)交通运输上的应用：目前主要休现在磁悬浮列车研制，超导磁悬浮列车是利用铁轨和列车底部的超导磁体间的斥力作用，使列车悬浮在铁轨上行驶。
(4)医学上的应用：主要表现在提供超导磁体来装备各种医疗仪器，广泛应用有核磁共振仪、心电图、脑电图测试设备等高级医用测绘装置的分辨率大大提高。