電磁場超導(dǎo)體的電磁性質(zhì)

1、電磁場超導(dǎo)體的電磁性質(zhì)第1頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五 超導(dǎo)電性、 Meissner 效應(yīng) 理想導(dǎo)體中的磁通凍結(jié) 倫敦方程 超導(dǎo)體的趨扶性 超導(dǎo)體電磁性質(zhì)方程 磁通俘獲和磁通量子化 第二類超導(dǎo)體第2頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五超導(dǎo)電性當(dāng)溫度下降之某臨界溫度之下，物質(zhì)的電阻率突然下降至零，對汞，超導(dǎo)電性：電阻率為零 ， 電導(dǎo)率為無窮大超導(dǎo)態(tài)的基本條件：臨界溫度與外加磁場相關(guān)，或曰臨界磁場與溫度相關(guān)失超超導(dǎo)相(-268.9度) 1911年，昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象 1986年，高溫超導(dǎo)取得突破，中國在其中第3頁，共19頁，2022年，5月20日，6

2、點43分，星期五超導(dǎo)磁性 Meissner（邁斯納）效應(yīng)外磁場必須小于臨界磁場與外加磁場過程無關(guān)，若物質(zhì)內(nèi)部有磁場，則進(jìn)入超導(dǎo)相后，磁場排出，若物體原來處于超導(dǎo)態(tài)，外加磁場不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi) Meissner 效應(yīng)：超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零Meissner效應(yīng)與超導(dǎo)電性是相互獨(dú)立的效應(yīng)正常相超導(dǎo)相超導(dǎo)體不能簡單地看作通常導(dǎo)體電導(dǎo)率的極限情況因為通常導(dǎo)體有歐姆定律 而 J 有限（有磁效應(yīng)）；由麥克斯韋方程 導(dǎo)致 B 為一與時間無關(guān)的量第4頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五理想導(dǎo)體歐姆定律在電磁場中運(yùn)動的理想導(dǎo)體，歐姆定律為：絕緣體在磁場中運(yùn)動，因不帶電，而幾乎沒有什么阻礙 導(dǎo)

3、體呢？理想導(dǎo)體呢？會有怎樣？超導(dǎo)體，其電阻為零，也可以稱為理想導(dǎo)體： 但理想導(dǎo)體與超導(dǎo)體有其他不同的性質(zhì)，例如在磁場中的行為導(dǎo)體靜止參考系中電場第5頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五理想導(dǎo)體中的磁通凍結(jié)理想導(dǎo)體中任一回路包圍的磁通變化：不管磁場如何變化、回路如何運(yùn)動、或者回路產(chǎn)生形變，由理想導(dǎo)體構(gòu)成的回路包圍的磁通量保持不變，這就是 磁通凍結(jié) 效應(yīng)。理想導(dǎo)體要求內(nèi)部磁通不變，但不要求為零（不具有 Meissner效應(yīng) ）。設(shè)曲面回路運(yùn)動或變形 對流導(dǎo)數(shù)第6頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五磁通凍結(jié)的直觀解釋設(shè)理想導(dǎo)體球原有一根磁力線，球運(yùn)動、變形后磁

4、通始終保持不變普通導(dǎo)體 冷卻理想導(dǎo)體 （撤去外 磁場）理想導(dǎo)體磁通凍在理想導(dǎo)體內(nèi)完全電離等離子體也有同樣的性質(zhì) 激勵磁場的 感應(yīng)電流第7頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五超導(dǎo)現(xiàn)象的二流體唯象理論超導(dǎo)電子是結(jié)成庫珀對的電子（L.N.Cooper,1957）超導(dǎo)體中，傳導(dǎo)電子可以分成兩類：普通電子和超導(dǎo)電子 庫珀電子對具有相反的動量，總動量為零 庫珀對形成必須借助于晶格振動（聲子），形成引力而關(guān)聯(lián) 所有庫珀對凝聚于相同的量子態(tài)，庫珀對的能量比自由態(tài)要低BCS理論：同位素效應(yīng)，超導(dǎo)能隙第8頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五 倫敦第一方程: 超導(dǎo)電流與電場的

5、關(guān)系，并有如下結(jié)論倫敦第一方程無電場時仍可以存在超導(dǎo)電流， 超導(dǎo)電流完全來源于超導(dǎo)電子的貢獻(xiàn)傳導(dǎo), 損耗電流 為零,超導(dǎo)體的電導(dǎo)率趨于無窮大 - 超導(dǎo)超導(dǎo)體中:在恒定情況下，超導(dǎo)體的零電阻性 在交變情形下， 。因而，交變情形下超導(dǎo)體是有電阻損耗的交流損耗的大小為 低頻時，損耗是很小的。超導(dǎo)體更適合于直流（低頻）電流的支撐普通歐姆定律損耗電流 第9頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五倫敦第二方程如何解釋邁斯納效應(yīng)(超導(dǎo)體內(nèi)部 B=0 )若超導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生的磁場總是抵消外加磁場，則可以解釋Meissner效應(yīng) 現(xiàn)在說明倫敦第一、第二方程和麥?zhǔn)系诙匠淌窍嗳莸?倫敦第二方程:

6、再兩個系數(shù) 應(yīng)該一致為任意標(biāo)量場欲使第一與第二方 程自洽，應(yīng)該?。旱?0頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五倫敦第二方程磁場和電流的薄層分布現(xiàn)利用倫敦第二方程解釋 Meissner效應(yīng)超導(dǎo)體內(nèi)部磁場指數(shù)衰減，若穿透深度很小，即可以解釋 Meissner 效應(yīng)擴(kuò)散方程，一維情況的解為：超導(dǎo)體稱為穿透深度與穩(wěn)定磁場方程 聯(lián)立第11頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五超導(dǎo)體表面電流如上結(jié)果與超導(dǎo)體與真空磁場銜接關(guān)系一致 超導(dǎo)電流為自由（面）電流。超導(dǎo)體的磁導(dǎo)率為 ，超導(dǎo)體是無磁性的，磁化強(qiáng)度超導(dǎo)電流是表面電流超導(dǎo)體表面磁場平行于表面:超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，

7、并不排除超導(dǎo)體表面薄層內(nèi)有電流和磁場，實際上正是表面電流的屏蔽作用確保了超導(dǎo)體內(nèi)部的和磁場為零每對電流線產(chǎn)生的磁場在超導(dǎo)體內(nèi)剛好抵消，總效 果是超導(dǎo)體內(nèi)磁場為零。第12頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五 超導(dǎo)體是完全抗磁體可以將超導(dǎo)體視為特定磁介質(zhì) 超導(dǎo)體是完全抗磁體，超導(dǎo)電流源于外加磁場，或兩種描述方式：（1)超導(dǎo)電流為自由電流，磁導(dǎo)率 （2)超導(dǎo)電流為磁化電流，磁導(dǎo)率 后者研究超導(dǎo)體的某些特性可能更方便，例超導(dǎo)體的居間態(tài)并認(rèn)為磁介質(zhì)的電導(dǎo)率為零 ，原來意義的傳導(dǎo)電流并不存在，超導(dǎo)電流視為磁化電流。于是，有第13頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五超

8、導(dǎo)體電磁性質(zhì)方程描述超導(dǎo)體現(xiàn)象的超導(dǎo)體電磁性質(zhì)（物性）方程為： 電場起著加速超導(dǎo)電流和維持正常電流作用， 磁場可看作電流的源 起著維持超導(dǎo)電流（有旋）的作用,(形成面電流分布).比較 .合并構(gòu)成了研究超導(dǎo)體電磁學(xué)問題的基本方城組（出發(fā)點）再與電磁場的基本方程組聯(lián)立第14頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五磁通俘獲和磁通量子化正常相加外磁場超導(dǎo)磁體撤去磁場內(nèi)表面 電流 設(shè)當(dāng) 時，把正常態(tài)的超導(dǎo)環(huán)放置于外磁場中降低溫度使 T Tc 該環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，然后撤去外磁場通過環(huán)孔的磁通量仍然被保持 （捕獲）在環(huán)孔內(nèi)，同時在超導(dǎo)環(huán)內(nèi)面薄層內(nèi)誘導(dǎo)出超導(dǎo)電流，它維持著環(huán)孔的磁通量。若無擾動，

9、超導(dǎo)電流與被捕獲的磁通量將長期存在著。 被捕獲磁通量是量子化的，即它只能等于某一個 磁通量的整數(shù)倍超導(dǎo)電性的量子本質(zhì)所引起的磁通量子 與理想導(dǎo)體磁量 凍結(jié)的結(jié)論一致第15頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五證 明 類磁通量守恒 把電磁感應(yīng)定律應(yīng)用于回路 C 上，有磁通量子化C一對超導(dǎo)電子在磁場中的正則動量為取環(huán)體內(nèi)閉合回路 c，并設(shè) C 足夠深入到環(huán)體內(nèi)，使 C 上 Js0第16頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五第二類超導(dǎo)第二類超導(dǎo)體(也稱硬超導(dǎo)體) 在 H Hc1 時倫敦方程成立，超導(dǎo)體表現(xiàn)邁斯納效應(yīng)，在其內(nèi)部 B0. 當(dāng)磁場增強(qiáng)至超過第一臨界磁場

10、Hc1 時，磁場開始以量子化磁通線形式進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)在磁通線內(nèi)為正常態(tài)，磁通線之間仍為超導(dǎo)態(tài)物體仍保持超導(dǎo)電性當(dāng)磁場再增強(qiáng)至超過第二臨界磁場 Hc2 時，磁場布滿物體內(nèi)部，整個物體轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài) 對錫而言, Hc1 3A/m, Hc2 A/m第二類超導(dǎo)體有較高的臨界磁場 Hc2 , 能通過較強(qiáng)的超導(dǎo)電流(直流),因而, 第二類超導(dǎo)體有更重要的實際應(yīng)用 半徑為 a 的直導(dǎo)線的臨界電流實用的超導(dǎo)體 越大越好,但超過臨界值, 將失去超導(dǎo)等特性正常態(tài)混合態(tài)第17頁，共19頁，2022年，5月20日，6點43分，星期五超導(dǎo)體應(yīng) 用反磁性的應(yīng)用超導(dǎo)體導(dǎo)線高功率 發(fā)電機(jī)核磁共振斷層掃瞄儀超導(dǎo)量子干涉儀超導(dǎo)電磁動力船超導(dǎo)體與外磁場的斥力作用使超導(dǎo)體可懸浮在空中超導(dǎo)重力儀，超導(dǎo)磁懸浮列車(完全抗磁性)無損耗輸電（直流電）(無直流損耗性)產(chǎn)生強(qiáng)