大学物理1514超导.pptx

上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 对于氧化物对于氧化物超导体，其转变超导体，其转变温度范围较宽。温度范围较宽。0.9R00.5R00.1R0R0TeTmTs氧化物超导体的转变温度氧化物超导体的转变温度 电阻从起始转电阻从起始转变处下降到一半时变处下降到一半时对应的温度定义为对应的温度定义为转变温度转变温度。转变宽度转变宽度上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出高温超导体的电子显微镜图像高温超导体的电子显微镜图像上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出1.1.零电阻零电阻 超导体处于超导态时电阻完全消失，若形超导体处于超导态时电阻完全消失，若形成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续成回路，一旦回路中有电流，该电流将无衰减地持续下去。下去。2.2.临界磁场与临界电流临界磁场与临界电流 材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，材料的超导态可以被外加磁场破坏而转入正常态，这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场。这种破坏超导态所需的最小磁场强度称为临界磁场。二、超导体的主要特性二、超导体的主要特性上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电临界磁场的存在，限制了超导体中能够通过的电流。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超流。当通过超导体的电流超过某一电流值时，超导态被破坏，此电流称为临界电流。导态被破坏，此电流称为临界电流。三个临界条件：三个临界条件：临界温度、临界磁场、临界电流临界温度、临界磁场、临界电流正常态正常态超导态超导态第第类类超超导导体体正常态正常态迈斯纳态迈斯纳态第第类类超超导导体体混合态混合态上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 3.3.迈斯纳效应迈斯纳效应完全抗磁性完全抗磁性 在使样品转变为超在使样品转变为超导态的过程中，无论先降温后加磁场，还是先加磁导态的过程中，无论先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零。场后降温，超导体内的磁感应强度总是为零。常态常态降温降温加场加场超导超导超导超导加场加场常态常态降温降温上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 4.4.同位素效应同位素效应 同位素的质量越大，转变温度越同位素的质量越大，转变温度越低。同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，低。同位素效应说明超导不仅与电子状态有关，也与金属的离子晶格有关。也与金属的离子晶格有关。1957年巴丁年巴丁（J.Bardeen)、库珀库珀（L.V.Cooper)和施里弗和施里弗（J.R.Schrieffer)提出一个提出一个超导电性的微观理论，称为超导电性的微观理论，称为BCS理论。理论。从正常态到超导态的转变非常迅速，因此人们从正常态到超导态的转变非常迅速，因此人们设想这种变化应该是电子态的转变，因电子的质量设想这种变化应该是电子态的转变，因电子的质量小、反应快；但是同位素效应又说明这种转变与晶小、反应快；但是同位素效应又说明这种转变与晶格的质量有一定关系。格的质量有一定关系。三、三、BCS理论理论上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出格波格波 电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，电子在离子晶格间运动时，电子密度有起伏，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，当电子在某处集中时，会对附近的离子晶格产生吸引，从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中从而使离子产生振动，并以波的形式在点阵中传播，这种波称为格波。传播，这种波称为格波。声子声子 格波是量子化的，其量子称为声子。形成格格波是量子化的，其量子称为声子。形成格波的过程相当于电子发射出一个声子。波的过程相当于电子发射出一个声子。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出库珀对库珀对 传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动传播着的正电荷区又可以吸引另一个运动着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子通过着的电子，相当于电子吸引了声子，两个电子通过交换声子产生了间接的吸引作用。对于某些材料，交换声子产生了间接的吸引作用。对于某些材料，在一定的低温条件下，交换声子的两个电子可以束在一定的低温条件下，交换声子的两个电子可以束缚在一起形成一个电子对，称为库珀对。缚在一起形成一个电子对，称为库珀对。电子电子A 声子声子 电子电子B电子电子A A电子电子B B（声子声子）上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出BCS理论理论 处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，处在超导态的电子，不是单独一个个存在的，而是配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向而是配成库珀对存在的，配对的电子，其自旋方向相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零。相反，动量的大小相等而方向相反，总动量为零。库珀对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶库珀对作为整体与晶格作用，因此一个电子若从晶体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，体得到动量，则另一个电子必失去动量，作为整体，不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过不与晶格交换动量，也不交换能量，能自由地通过晶格，因此没有电阻。晶格，因此没有电阻。当温度大于临界温度时，热运动使库珀对分散当温度大于临界温度时，热运动使库珀对分散为正常电子，超导态转为正常态。为正常电子，超导态转为正常态。当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库当磁场强度达到临界强度时，磁能密度等于库珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被拆珀对的结合能密度，所有库珀对都获得能量而被拆散，超导态转为正常态。散，超导态转为正常态。上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出1.用超导材料制造电缆可实现无损耗输电。用超导材料制造电缆可实现无损耗输电。2.用超导材料制造电机，可以大大提高效率。用超导材料制造电机，可以大大提高效率。3.用超导线圈制造电磁体用超导线圈制造电磁体可以得到很强的磁场，可可以得到很强的磁场，可应用于受控核聚变、高能应用于受控核聚变、高能加速器、磁流体发电、磁加速器、磁流体发电、磁悬浮列车、核磁共振成像悬浮列车、核磁共振成像装置等。装置等。磁悬浮列车磁悬浮列车四、超导电性的应用四、超导电性的应用上页上页 下页下页 返回返回 退出退出上页上页 下页下页 返回返回 退出退出 C60是由是由60个碳原子构个碳原子构成的空心大分子，外形酷成的空心大分子，外形酷似足球。似足球。固态固态C60类似于类似于Ga-As的半导体，在其中掺的半导体，在其中掺入碱金属，它将转变为入碱金属，它将转变为超导体。超导体。有科学家预言，如能制成有科学家预言，如能制成C540，它将可能成为室它将可能成为室温超导体。温超导体。C C6060的示意图的示意图碳碳60分子（分子（C60）