4-两类超导体基本特征复习课程.doc

4 两类超导体基本特征精品文档4 两类超导体基本特征两类超导体存在着两种超导体。一种称为I型超导体，主要是金属超导体。它对磁场有着屏蔽作用，也就是说磁场无法进入超导体内部。如果外部磁场过强，就会破坏超导体的超导性能。这类超导体只有两个态，即低温超导态和正常态。另一种称为II型超导体，主要是合金和陶瓷超导体。它允许磁场通过。为什么存在两类超导体呢？关键是超导态和正常态之间存在介面能。界面能一般超导体内部磁场为零；但在一定条件下，磁力线也可以进入超导体内部。这种情况下，超导体内部同时存在超导区域和正常区域。在两区域的交界面上，存在附加的界面能。界面能可以大于零也可以小于零，大于零的超导体称为第一类超导体，小于零的称为第二类超导体。当第一类超导体表面某部分（与形状有关）的磁场达到临界磁场HC时，超导体即进入超导与正常区域相间的状态中间态。这些区域的大小具有宏观的尺寸,数量级为10-2cm。对于第二类超导体，由于界面能为负，超导与正常区域同时存在的状态（混合态）的能量更低。而在HHC时,超导电性才完全消失。这类超导体的超导与正常区域的尺寸可以小到10-610-7cm。利用某些第二类超导体制成的超导强磁体；目前已得到广泛应用。第二类超导体（type-superconductors）界面能小于零的超导体。根据超导体在磁场中磁化曲线的差异，超导体可分为第一类和第二类两类。在已发现的超导元素中，只有钒、铌和钽属于第二类，其他元素均属第一类。然而大多数超导合金和化合物则属于第二类：它们的区分在于:第一类超导体的京茨堡-朗道参量1/，界面能为负。基于第二类超导体的某些性质（如磁化行为、临界电流等）对诸如位错、脱溶相等各种晶体缺陷十分敏感。只有体内组分均匀分布，不存在各种晶体缺陷，其磁化行为才呈现完全可逆,称为理想第二类超导体。反之,则称为非理想第二类超导体或硬超导体。非理想第二类超导体具有较大的实用价值。超导态理想第二类超导体一细长圆柱状的理想第二类超导体，处于平行于轴方向的外磁场中时，其磁化曲线如下图超导体的磁化曲线所示（图中还画出了第一类超导体的磁化曲线作为比较）。可以看到存在有两个确定的临界场,即下临界场Hc1和上临界场Hc2。当外磁场低于Hc1时,超导体处于迈斯纳态,即磁场被排出超导体外。但从Hc1开始，磁场部分地穿透到超导体内部，而且随着磁场的增高,穿透程度也增加(-减少);一直到达到Hc2时磁场才完全穿透超导体(=0),这时,超导体过渡到正常态。在Hc1HHc2内的状态，叫做混合态。一般地说，理想第二类超导体在Hc1和Hc2处的转变均属于二级相变。Hc1和Hc2的值由下列理论公式确定：式中Hc为热力学临界磁场。它们与温度的关系都可近似地表示为。第二类超导体的热力学临界磁场Hc可由实测到的磁化曲线下面所包围的面积而得到。理想第二类超导体处于混合态时，磁场以量子化的磁通线(也叫磁通涡旋)形式穿透体内。每根磁通线所具有的磁通量正好等于一个磁通量子。量子化磁通线的结构超导电子密度ng分布磁通密度h分布磁通线的中心是一个半径约为相干长度的圆柱形正常区，它外面存在一半径约为穿透深度 的磁场和超导电流区域。 一般地说，对于1/的第二类超导体，有。理论和实验上都已得出,当处于热力学平衡态时,理想第二类超导体中的磁通线排列成三角点阵，其点阵常数随磁场的增高而减小。第二类超导体与绝缘体或真空接触，当它处在与界面平行的方向的外磁场中时,则存在于表面附近厚度薄层内的超导电性,一直可以保持到Hc3=1.695 Hc2为止,这就是表面超导性。处于混合态(H Hc1)的理想第二类超导体，在横向磁场中，不能承载任何大小的超导传输电流，因而无多大实用价值。有关理想第二类超导体的理论是由.京茨堡、.朗道、.阿布里考索夫和 .戈科夫建立的，通称为理论。非理想第二类超导体非理想第二类超导体非理想第二类超导体的磁化曲线，由于体内存在晶体缺陷而呈现不可逆的特性。当外磁场从零开始增大但小于Hc1时,超导体处于迈斯纳态。当HHc1时，磁场以磁通线的形式穿透体内。但缺陷的存在对磁通线的穿透造成阻力，因此超过Hc1时，磁化强度继续增大。当HHp时, 则随磁场的增大而它减小。直至Hc2时,磁化强度才等于零。当磁场从高于Hc2下降时,缺陷同样阻碍磁通排出，故磁化曲线上出现磁滞现象，以致零磁场时有剩余磁矩，称为俘获磁通。晶阵缺陷的存在，阻碍着磁通线的运动。因此，可以把它们看作是一些对磁通线运动产生钉扎作用的钉扎体，也称为磁通钉扎中心。钉扎作用的强弱以钉扎力Fp的大小来表示。当温度高于绝对零度时，由于热激活的存在，磁通线总是有一定的几率从一个钉扎中心迁移到另一个钉扎中心，这种磁通线发生跳跃式的无规运动叫做磁通蠕动。当传输电流在与外磁场相垂直的方向上通过处于混合态的超导体时，每根磁通线既受到钉扎力Fp的钉扎作用,又受到电磁力（洛伦兹力）FL=J0的驱动作用,其中J为电流密度,0为磁通量子。当FLFp时,磁通线会发生较快地横过导体的运动，这就是磁通流动。它会在导体纵向感生电压, 相应地“电阻”称为磁通流动电阻,其电阻率，式中n为超导体处于正常态时的电阻率，B为外磁场值。在平衡状态下，超导体内各处的钉扎力与洛伦兹力相等，磁通线处于临界态。这时，超导体的体电流密度就是临界电流密度Jc。为描述临界态,已提出了比恩-伦敦(Bean-London)模型和金-安德森(Kim-Anderson)等模型。非理想第二类超导体处于混合态时，在很高的横向磁场下，仍可以通过很大的体超导电流，其临界电流密度Jc有时高达106A/cm2以上。 通过Jc-H 特性和组织结构的关系，以及磁热不稳定性等的研究，现今已研制成功Nb-Ti、Nb-Zr合金和Nb3Sn,V3Ga化合物等稳定的实用超导材料（见超导元素及合金和化合物），成为发展强磁场超导磁体技术的基础。已经应用于固体物理、高能物理、受控聚变反应、磁流体发电等一系列现代科学技术部门而显示了巨大的优越性。收集于网络，如有侵权请联系管理员删除