功能材料ch6超导材料

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1、第六章、超导材料第一节、超导体的基本性质1.超导电性的发现1911年，荷兰低温物理学家昂纳斯在研究金属电阻在液氦温区的变化规律时，首次观察到超导电性。图1描述了水银样品电阻与温度的关系。1933年，迈斯纳效应的发现使人们认识到超导电性是一种宏观尺度上的量子现象。1957年，巴丁、库柏和施瑞弗基于电子和声子的相互作用，建立了成功的微观理论，解释了超导电性的起源，并对凝聚态物理以至整个物理学的发展产生了巨大的影响。50年代末和60年代初，第Ⅱ类超导体及其约瑟夫森效应的发现，促使超导电性的应用开始逐步地成为一门新技术，即低温超导

2、电技术。从60年代到80年代，超导电性的应用已具有一定的规模和相应的工业部门。由于传统超导体必须在极低温度下运行，通常用的工作物质是液氦，限制了低温超导电技术的广泛应用。人们一直在探索能在液氮温区甚至能在室温下工作的高温超导体。图1零电阻效应。水银的电阻在4.2K附近突然消失1.超导电性的发现长期以来，虽经科学家们的不断努力，但始终无法使超导临界温度有很大的提高。1986年春，设在瑞士苏黎世的IBM实验室的研究员柏诺兹(J·G·Bednorz)和缪勒(K.A.Muller)发现了La-Ba-Cu-O化合物在35K下的超导现

3、象，这一发现不仅打破了具有A15结构的超导体的超导转变温度23.2K的最高记录，更重要的是在人们面前展现了一种具有新型结构的氧化物超导材料。正是由于他们开创性的工作，在世界范围内掀起了一场超导热浪，并为这一领域中带来突破性进展。人们很快便得到了液氮温区的超导体。自从高温氧化物超导体被发现以来，在材料、机制以及应用三个方面的研究及开发工作都进展很快。使用高温超导材料而制备的微波器件将是最有希望得到较大规模应用的。一些新的超导材料不断被发现，从而不断给出更多的揭示高温超导电性的新的信息及开辟新的应用领域。2.超导体的基本物理性

4、质2.1零电阻效应a临界温度Tc电阻突然消失的温度被称为超导体的临界温度Tc。超导临界温度Tc与样品纯度无关，但是越均匀纯净的样品超导转变时的电阻陡降越尖锐。为了便于超导材料使用，希望临界温度越高越好。目前已知的金属超导材料中铑的Tc最低，为0.0002K，Nb3Ge的Tc最高，为23.3K。图2正常金属和超导体的电阻与温度的关系2.超导体的基本物理性质2.1零电阻效应b.临界磁场Hc对处于超导态的超导体施加一个磁场，当磁场强度高于Hc时,磁力线将穿人超导体，超导态被破坏。一般把可以破坏超导态的最小磁场强度称为临界磁场。H

5、c(T)随温度的变化一般可以近似地表示为抛物线关系:式中是绝对零度时的临界磁场。当T=Tc时，Hc=0；随温度的降低，Hc渐增，至OK时达到最大值。Hc与材料性质也有关系。图3一些金属超导体临界磁场与温度的关系(图中小图是纯与不纯的Nb的Hc(T)关系)2.超导体的基本物理性质式中是绝对零度时的临界电流。2.1零电阻效应c.临界电流Ic实验还表明，在不加磁场的情况下，超导体中通过足够强的电流也会破坏超导电性，导致破坏超导电性所需要的电流称作临界电流Ic(T)。在临界温度Tc，临界电流为零。这个现象可以从磁场破坏超导电性来说

6、明，当通过样品的电流在样品表面产生的磁场达到Hc时，超导电性就被破坏，既产生临界磁场的电流，即超导态允许流动的最大电流，这个电流的大小就是样品的临界电流。与式(1)类似，临界电流随温度变化的关系有图4临界电流密度和温度及磁场的关系2.超导体的基本物理性质人们最早发现的超导态特性就是它的零电阻效应，但是超导体与电阻无限小的理想导体有本质的区别。1933年，德国物理学家迈斯纳(W·Meissner)和奥森菲尔德(R·Ochsenfeld)对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现在小磁场中把金属冷却进入超导态时，超导体内的磁通线似乎

7、一下子被排斥出去，保持体内磁感应强度B等于零，超导体的这一性质被称为迈斯纳效应，如图5所示。超导体内磁感应强度B总是等于零，即金属在超导电状态的磁化率为超导体内的磁化率为-1(M为磁化强度，)。可见超导体在静磁场中的行为可以近似地用“完全抗磁体”来描述。超导体的迈斯纳效应的意义在于否定了把超导体看作理想导体，还指明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导电性是一种宏观的量子现象。仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效应也不能描述零电阻现象，因此，迈斯纳效应和零电

8、阻性质是超导态的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否同时具有零电阻和迈斯纳效应。2.2完全抗磁性----迈斯纳效应2.超导体的基本性质2.2完全抗磁性图5迈斯纳效应(超导体如何排斥磁通量—水平磁力线)的示意图永久磁环受到超导体排斥而悬浮—磁悬浮第二节、传统超导体的理论模型1、传统