超導體是在一定溫度下電阻完全消失的物體

超導體現(xiàn)象及應用超導體是什么？超導體是在一定溫度下電阻完全消失的物體。其主要的效應有：零電阻效應

反磁效應

約瑟分效應

超導體的發(fā)現(xiàn)超導電性是在1911年由荷蘭物理學家翁內(nèi)斯(HeikeKamerlinghOnnes)發(fā)現(xiàn)。

1908年荷蘭物理學家翁內(nèi)斯經(jīng)過長期努力，使最后一種“永久氣體”氦氣(He)液化。1911年翁內(nèi)斯在研究金屬電阻隨溫度變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，當溫度降低時，汞（Hg）的電阻先是平穩(wěn)地減小，而在4.2K附近，電阻突然降為零。于是稱這種情況下發(fā)生的零電阻現(xiàn)象為物質(zhì)的超導電性。當然，具有超導電性的材料也就稱之為超導體。超導體開始失去電阻時的溫度稱為超導轉變溫度(Tc)。溫度在Tc以上時，超導體與正常導體一樣，都有一定的電阻值，此時超體處于正常態(tài)，而在Tc--以下，超導體處于零電阻狀態(tài)，即超導態(tài)。但實際上，我們從圖中可以看到：超導體從正常態(tài)向超導態(tài)的過渡是在一個溫度間隔內(nèi)完成的，這個溫度間隔稱為轉變溫度，與超導體的性質(zhì)有關。因此，我們通常將超導體電阻下降到正常態(tài)電阻值一半時所處溫度定為Tc零電阻現(xiàn)象

大家都知道，若將金屬環(huán)放在磁場中，則環(huán)內(nèi)將產(chǎn)生感應電流，對于正常金屬來說，當磁場去掉后，環(huán)內(nèi)電流很快衰減為0，而對于超導環(huán)，情況卻完全不同，下圖為著名的持續(xù)電流實驗。

(1)T>Tc在超導環(huán)上加磁場

(2)T<Tc圓環(huán)轉變?yōu)槌瑢B(tài)

(3)突然撤去外電場，超導環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流將一超導圓環(huán)放在磁場中并冷卻到臨界溫度以下，突然撤去磁場，則在超導壞中產(chǎn)生感生電流。實驗發(fā)現(xiàn)，此電流可以持續(xù)存在，觀查幾年也未發(fā)現(xiàn)電流有明顯變化。應該指出的是，超導體只有在直流情況下才有零電阻現(xiàn)象，若電流隨時間變化，將會有功率耗散。完全抗磁性(邁斯納效應)

直到1933年，人們從零電阻現(xiàn)象出發(fā)，一直把超導和完全導體(或稱無阻導體)完全等同起來，而1933年德國物理學家邁納斯和奧克森菲爾德的磁測量表明，超導體的磁性質(zhì)與完全導體不同。下圖所示體現(xiàn)了理想導體與實際超導體中磁場的區(qū)別。(a)理想導體T>Tc

T<Tc

T<Tc

(b)實際導體T>Tc

T<Tc

T<Tc撤去外磁場

可見，對于理想導體，在處于正常狀態(tài)時加了外磁場，磁力線穿過其內(nèi)部，降溫使其轉變?yōu)橥耆珜w，由于完全導體的磁性質(zhì)，內(nèi)部磁通分布將不變，去掉外磁場后，完全導體仍還將保持其內(nèi)部的磁通線。而對于超導體，當從正常態(tài)變到超導態(tài)后，原來穿過超導體的磁通被完全排出到超導體外，同時超導體外的磁通密度增加。由此可見，對于理想導體，在處于正常狀態(tài)時加了外磁場，磁力線穿過其內(nèi)部，降溫使其轉變?yōu)橥耆珜w，由于完全導體的磁性質(zhì)，內(nèi)部磁通分布將不變，去掉外磁場后，完全導體仍還將保持其內(nèi)部的磁通線。而對于超導體，當從正常態(tài)變到超導態(tài)后，原來穿過超導體的磁通被完全排出到超導體外，同時超導體外的磁通密度增加。由此可見，只要T<Tc，在超導體內(nèi)部總有磁感應強大B=0，這種現(xiàn)象就叫做邁斯納效應。

約瑟夫森效應

約瑟夫森效應即超導隧道效應。在玻璃襯板上鍍一層超導金屬膜，使其上形成厚度很薄的絕層，在氧化層上再鍍上一層超導金屬膜，就得到一個超導—絕緣—超導(S—I—S)結，稱為約瑟夫森結或超導結。理論和實驗都證明，當絕緣層厚度在10?左右時，庫柏對由于隧道效應穿過勢壘后仍保持配對狀態(tài)，即絕緣層中出現(xiàn)少量超導電子，具有了弱超導爹性。宏觀上表現(xiàn)為在絕緣層中可以無阻地通過幾十微安到幾十毫安的電流而在S—I—S結兩端并無電壓降落。這個現(xiàn)象叫做直流約瑟夫森效應。在隧穿電流超過臨界電流Ic時，超導結兩端出現(xiàn)電壓。這時發(fā)生了兩種過程：一是出現(xiàn)正常電子隧穿效應。由于超導結中出現(xiàn)電阻，如果電源內(nèi)阻比結電阻小得多，那么電路中電流突然從Ic降到幾乎為零，超導結的I-V特性曲線如圖中虛線a所示跳躍到正常電子隧道曲線c；如果電源內(nèi)阻比結電阻大得多，則電流基本不變，I-V特性曲線如圖中虛線b那樣水平地跳躍到正常電子隧道曲線c。二是出現(xiàn)交變超導電流，并向外輻射電磁波。產(chǎn)生電磁輻射的原因是由于在超導結兩端存在直流電壓V時，電子對在結兩側有能量差2eV，按能量守恒定律，當電子對隧穿進入結另一側時，減少的能量以光子的形式輻射出來。超導結產(chǎn)生交變電流并輻射電磁波的特性叫做交流約瑟夫森效應。直流和交流約瑟夫森效應均在1963年由實驗證實。

超導體的發(fā)展近代氣體液化問題是19世紀物理的熱點之一。1894年荷蘭萊頓大學實驗物理學教授卡麥林。昂內(nèi)斯建立了著名的低

溫試驗室。1908年昂內(nèi)斯成功地液化了地球上最后一種“永久氣體”───氦氣，并且獲得了接近絕對零度（零下

273.2攝氏度，標為OK）的低溫：4.25K.──1.15K.（相當于零下攝氏度）。為此，朋友們風趣地稱他為“絕對

零度先生”。這樣低的溫度為超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供了有力保證。經(jīng)過多次實驗，1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在4.2K.

左右的低溫度時急劇下降，以致完全消失（即零電阻）。1913年他在一篇論文中首次以“超導電性”一詞來表達這

一現(xiàn)象。由于“對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并使氦氣液化”方面的成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學獎。

“超導電性”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，引起了各國科學家的關注和研究，并寄于很大期望。通過研究，人們發(fā)現(xiàn)：所

有超導物質(zhì)，如鈦、鋅、鉈、鉛、汞等，當溫度降至臨界溫度（超導轉變溫度）時，皆顯現(xiàn)出某些共同特征：

(1)電阻為零，一個超導體環(huán)移去電源之后，還能保持原有的電流。有人做過實驗，發(fā)現(xiàn)超導環(huán)中的電流持續(xù)了二

年半而無顯著衰減；（2）完全抗磁性。這一現(xiàn)象是1933年德國物理學家邁斯納等人在實驗中發(fā)現(xiàn)的，只要超導材

料的溫度低于臨界溫度而進入超導態(tài)以后，該超導材料便把磁力線排斥體外，因此其體內(nèi)的磁感應強度總是零。這

種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應”。

超導電性的本質(zhì)究竟是什么。一開始人們便從實驗和理論兩個方面進行探索。不少著名科學家為此負出了巨大

努力。然而直到50年人才獲得了突破性的進展，“BCS”理論的提出標志著超導電性理論現(xiàn)代階段的開始?！癇CS”近代當代“BCS”

理論是由美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學家姓名第一個大寫字母命名這

一理論。這一理論的核心是計算出導體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài)，即存在“電子對”。

1962年英國劍橋大學研究生約瑟夫森根據(jù)“BCS”理論預言，在薄絕緣層隔開的兩種超導材料之間有電流通過，

即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應）；同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若

加電壓，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應”。這一效應在美國的貝爾實驗室

得到證實?！凹s瑟夫森效應”有力的支持了“BCS理論”。因此。巴丁、庫珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎。

約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎。超導體的研究60年代以來，重心逐漸轉向?qū)Τ瑢虏牧系拈_發(fā)方面。開發(fā)高臨界溫度的超導體材料將能為超導

體的大規(guī)模應用創(chuàng)造條件。

德國物理學家柏諾茲和瑞士物理學家繆勒從1983年開始集中力量研究稀土元素氧化物的超導電性。1986年他們

終于發(fā)現(xiàn)了一種氧化物材料，其超導轉變溫度比以往的超導材料高出12度。這一發(fā)現(xiàn)導致了超導研究的重大突破，

美國、中國、日本等國的科學家紛紛研究，很快就發(fā)現(xiàn)了在液氮溫度區(qū)獲（-196C.以下）得超導電性的陶瓷材料，

此后不斷發(fā)現(xiàn)高臨界溫度的超導材料。這就為超導的應用提供了條件。柏諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎。

超導電性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，不少人就想到了如何應用的問題。由于當時很多問題在技術上一時還難以解決，應

用還只是可望不可及的事情。隨著近年來研究工作的深入，超導體的某些特性已具有實用價值，例如超導磁浮列車

已在某些國家進行試驗，超導量子干涉器也研制成功，超導船、用約瑟夫森器件制成的超級計算機等正在研制過程

中，超導體材料已經(jīng)深入到科研、工業(yè)和人們的生活之中。

當代超導體的應用

超導體永久電池

目前超導體的研究正在日新月異地發(fā)展，高溫超導體的不斷發(fā)現(xiàn)和廣泛應用給超導體永久電池的研制和開發(fā)帶來了無限得生機?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的高溫超導體的臨界溫度已超過了100K，也就是說可以在液態(tài)氮溫度以上來完成超導體的轉化。在空氣中氮氣的含量近80﹪，它是取之不盡用之不竭的，而且氮氣排放到大氣中不會對環(huán)境造成污染。

超導體永久電池是一種利用超導體在外磁場中形成表面環(huán)形電流的原理，制造電池的方法。當使處于永久磁體磁場中的圓形超導體溫度降低到臨界溫度以下，并使之保持超導態(tài)，在其表面形成一個表面環(huán)形電流，以對抗外磁場進入超導體內(nèi)，從而產(chǎn)生完全抗磁性。環(huán)形電流中的電子要受到洛倫茲力和離心力的作用，當超導體的半徑小于或等于由外磁場對電子產(chǎn)生的洛倫茲力形成的半徑時，電子在離心力的作用下向超導體的邊緣集中，而中心處則相對缺少電子，在超導體的邊緣與表面的中心處產(chǎn)生電壓，構成電源。邊緣處為負極，表面的中心處為正極。

該發(fā)明能將磁場能量直接轉變成電能，不需任何機械能和化學能，對環(huán)境也無任何污染；且輸出的為持續(xù)的直流電，只要永久磁體的磁場能量不消失電池的電流就不會消失。該電池只需一個能將超導體的溫度降到臨界溫度以下的制冷和保溫裝置，使超導體的溫度保持在其臨界溫度以下，并使之處于超導態(tài)。我們可以采用液態(tài)氮為制冷劑，如果將來能發(fā)現(xiàn)常溫超導體，則該電池將不需要任何其它設備，在常溫下就能將永久磁體的磁能直接轉變成電能。本發(fā)明的制冷與保溫設備和電池本身的結構都很簡單，可在移動設備上廣泛使用（如電動汽車、船和飛機等）；也可以用在家庭、廠礦等固定電器設備上。

第六種物質(zhì)形態(tài)助開發(fā)下一代超導體

科學家創(chuàng)造出世界上第六種物質(zhì)形態(tài)：費密冷凝物，科學家利用經(jīng)過度冷卻的鉀原子團創(chuàng)造出這項新物質(zhì)形態(tài)。

科學家表示，在繼氣體、固體、液體、等離子體以及1995年創(chuàng)造出的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)(BEC,Bose-Einstein

Condensate)之后，科學家創(chuàng)造出世界上第六種物質(zhì)形態(tài)：費密冷凝物。專家預測，這種嶄新的物質(zhì)形態(tài)的出現(xiàn)有助于下一代超導體的誕生。下一代超導體技術材料可在發(fā)電、磁浮列車和眾多其它領域大顯身手。

領導該項研究的美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學聯(lián)合實驗室的物理學家黛博拉·金(Deborah

Jin)表示：“我們所做的就是創(chuàng)造這種新的奇異的物質(zhì)形態(tài)?！?/p>

金在一個新聞記者招待會上補充說：“這項研究提供了一種新的量子機械性質(zhì)，是一個科學突破?！?/p>

金領導的小組利用經(jīng)過度冷卻的鉀原子團創(chuàng)造出這項新物質(zhì)形態(tài)，向制造出一種可日常使用的超導體又邁進了一步。超導體能夠在絲毫不損失能量的情況下傳導電能。

“這種物質(zhì)