超導(dǎo)體是在一定溫度下電阻完全消失的物體

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

反磁效應(yīng)

約瑟分效應(yīng)

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

1908年荷蘭物理學(xué)家翁內(nèi)斯經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降低時(shí)，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(dǎo)電性。當(dāng)然，具有超導(dǎo)電性的材料也就稱之為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體開(kāi)始失去電阻時(shí)的溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)。溫度在Tc以上時(shí)，超導(dǎo)體與正常導(dǎo)體一樣，都有一定的電阻值，此時(shí)超體處于正常態(tài)，而在Tc--以下，超導(dǎo)體處于零電阻狀態(tài)，即超導(dǎo)態(tài)。但實(shí)際上，我們從圖中可以看到：超導(dǎo)體從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)的過(guò)渡是在一個(gè)溫度間隔內(nèi)完成的，這個(gè)溫度間隔稱為轉(zhuǎn)變溫度，與超導(dǎo)體的性質(zhì)有關(guān)。因此，我們通常將超導(dǎo)體電阻下降到正常態(tài)電阻值一半時(shí)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(chǎng)中，則環(huán)內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，對(duì)于正常金屬來(lái)說(shuō)，當(dāng)磁場(chǎng)去掉后，環(huán)內(nèi)電流很快衰減為0，而對(duì)于超導(dǎo)環(huán)，情況卻完全不同，下圖為著名的持續(xù)電流實(shí)驗(yàn)。

(1)T>Tc在超導(dǎo)環(huán)上加磁場(chǎng)

(2)T<Tc圓環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)

(3)突然撤去外電場(chǎng)，超導(dǎo)環(huán)中產(chǎn)生持續(xù)電流將一超導(dǎo)圓環(huán)放在磁場(chǎng)中并冷卻到臨界溫度以下，突然撤去磁場(chǎng)，則在超導(dǎo)壞中產(chǎn)生感生電流。實(shí)驗(yàn)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(yīng)該指出的是，超導(dǎo)體只有在直流情況下才有零電阻現(xiàn)象，若電流隨時(shí)間變化，將會(huì)有功率耗散。完全抗磁性(邁斯納效應(yīng))

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

T<Tc

T<Tc

(b)實(shí)際導(dǎo)體T>Tc

T<Tc

T<Tc撤去外磁場(chǎng)

可見(jiàn)，對(duì)于理想導(dǎo)體，在處于正常狀態(tài)時(shí)加了外磁場(chǎng)，磁力線穿過(guò)其內(nèi)部，降溫使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珜?dǎo)體，由于完全導(dǎo)體的磁性質(zhì)，內(nèi)部磁通分布將不變，去掉外磁場(chǎng)后，完全導(dǎo)體仍還將保持其內(nèi)部的磁通線。而對(duì)于超導(dǎo)體，當(dāng)從正常態(tài)變到超導(dǎo)態(tài)后，原來(lái)穿過(guò)超導(dǎo)體的磁通被完全排出到超導(dǎo)體外，同時(shí)超導(dǎo)體外的磁通密度增加。由此可見(jiàn)，對(duì)于理想導(dǎo)體，在處于正常狀態(tài)時(shí)加了外磁場(chǎng)，磁力線穿過(guò)其內(nèi)部，降溫使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珜?dǎo)體，由于完全導(dǎo)體的磁性質(zhì)，內(nèi)部磁通分布將不變，去掉外磁場(chǎng)后，完全導(dǎo)體仍還將保持其內(nèi)部的磁通線。而對(duì)于超導(dǎo)體，當(dāng)從正常態(tài)變到超導(dǎo)態(tài)后，原來(lái)穿過(guò)超導(dǎo)體的磁通被完全排出到超導(dǎo)體外，同時(shí)超導(dǎo)體外的磁通密度增加。由此可見(jiàn)，只要T<Tc，在超導(dǎo)體內(nèi)部總有磁感應(yīng)強(qiáng)大B=0，這種現(xiàn)象就叫做邁斯納效應(yīng)。

約瑟夫森效應(yīng)

約瑟夫森效應(yīng)即超導(dǎo)隧道效應(yīng)。在玻璃襯板上鍍一層超導(dǎo)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(dǎo)金屬膜，就得到一個(gè)超導(dǎo)—絕緣—超導(dǎo)(S—I—S)結(jié)，稱為約瑟夫森結(jié)或超導(dǎo)結(jié)。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，當(dāng)絕緣層厚度在10?左右時(shí)，庫(kù)柏對(duì)由于隧道效應(yīng)穿過(guò)勢(shì)壘后仍保持配對(duì)狀態(tài)，即絕緣層中出現(xiàn)少量超導(dǎo)電子，具有了弱超導(dǎo)爹性。宏觀上表現(xiàn)為在絕緣層中可以無(wú)阻地通過(guò)幾十微安到幾十毫安的電流而在S—I—S結(jié)兩端并無(wú)電壓降落。這個(gè)現(xiàn)象叫做直流約瑟夫森效應(yīng)。在隧穿電流超過(guò)臨界電流Ic時(shí)，超導(dǎo)結(jié)兩端出現(xiàn)電壓。這時(shí)發(fā)生了兩種過(guò)程：一是出現(xiàn)正常電子隧穿效應(yīng)。由于超導(dǎo)結(jié)中出現(xiàn)電阻，如果電源內(nèi)阻比結(jié)電阻小得多，那么電路中電流突然從Ic降到幾乎為零，超導(dǎo)結(jié)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)結(jié)兩端存在直流電壓V時(shí)，電子對(duì)在結(jié)兩側(cè)有能量差2eV，按能量守恒定律，當(dāng)電子對(duì)隧穿進(jìn)入結(jié)另一側(cè)時(shí)，減少的能量以光子的形式輻射出來(lái)。超導(dǎo)結(jié)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(yīng)。直流和交流約瑟夫森效應(yīng)均在1963年由實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

超導(dǎo)體的發(fā)展近代氣體液化問(wèn)題是19世紀(jì)物理的熱點(diǎn)之一。1894年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林。昂內(nèi)斯建立了著名的低

溫試驗(yàn)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(duì)零度（零下

273.2攝氏度，標(biāo)為OK）的低溫：4.25K.──1.15K.（相當(dāng)于零下攝氏度）。為此，朋友們風(fēng)趣地稱他為“絕對(duì)

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

左右的低溫度時(shí)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(dǎo)電性”一詞來(lái)表達(dá)這

一現(xiàn)象。由于“對(duì)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(xué)獎(jiǎng)。

“超導(dǎo)電性”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，引起了各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注和研究，并寄于很大期望。通過(guò)研究，人們發(fā)現(xiàn)：所

有超導(dǎo)物質(zhì)，如鈦、鋅、鉈、鉛、汞等，當(dāng)溫度降至臨界溫度（超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度）時(shí)，皆顯現(xiàn)出某些共同特征：

(1)電阻為零，一個(gè)超導(dǎo)體環(huán)移去電源之后，還能保持原有的電流。有人做過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)環(huán)中的電流持續(xù)了二

年半而無(wú)顯著衰減；（2）完全抗磁性。這一現(xiàn)象是1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，只要超導(dǎo)材

料的溫度低于臨界溫度而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)以后，該超導(dǎo)材料便把磁力線排斥體外，因此其體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零。這

種現(xiàn)象稱為“邁斯納效應(yīng)”。

超導(dǎo)電性的本質(zhì)究竟是什么。一開(kāi)始人們便從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行探索。不少著名科學(xué)家為此負(fù)出了巨大

努力。然而直到50年人才獲得了突破性的進(jìn)展，“BCS”理論的提出標(biāo)志著超導(dǎo)電性理論現(xiàn)代階段的開(kāi)始?！癇CS”近代當(dāng)代“BCS”

理論是由美國(guó)物理學(xué)家巴丁、庫(kù)珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科學(xué)家姓名第一個(gè)大寫(xiě)字母命名這

一理論。這一理論的核心是計(jì)算出導(dǎo)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(duì)”。

1962年英國(guó)劍橋大學(xué)研究生約瑟夫森根據(jù)“BCS”理論預(yù)言，在薄絕緣層隔開(kāi)的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過(guò)，

即“電子對(duì)”能穿過(guò)薄絕緣層（隧道效應(yīng)）；同時(shí)還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過(guò)薄絕緣層無(wú)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(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫森效應(yīng)”。這一效應(yīng)在美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室

得到證實(shí)?！凹s瑟夫森效應(yīng)”有力的支持了“BCS理論”。因此。巴丁、庫(kù)珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。超導(dǎo)體的研究60年代以來(lái)，重心逐漸轉(zhuǎn)向?qū)Τ瑢?dǎo)新材料的開(kāi)發(fā)方面。開(kāi)發(fā)高臨界溫度的超導(dǎo)體材料將能為超導(dǎo)

體的大規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造條件。

德國(guó)物理學(xué)家柏諾茲和瑞士物理學(xué)家繆勒從1983年開(kāi)始集中力量研究稀土元素氧化物的超導(dǎo)電性。1986年他們

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

美國(guó)、中國(guó)、日本等國(guó)的科學(xué)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(dǎo)電性的陶瓷材料，

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

超導(dǎo)電性現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)之后，不少人就想到了如何應(yīng)用的問(wèn)題。由于當(dāng)時(shí)很多問(wèn)題在技術(shù)上一時(shí)還難以解決，應(yīng)

用還只是可望不可及的事情。隨著近年來(lái)研究工作的深入，超導(dǎo)體的某些特性已具有實(shí)用價(jià)值，例如超導(dǎo)磁浮列車

已在某些國(guó)家進(jìn)行試驗(yàn)，超導(dǎo)量子干涉器也研制成功，超導(dǎo)船、用約瑟夫森器件制成的超級(jí)計(jì)算機(jī)等正在研制過(guò)程

中，超導(dǎo)體材料已經(jīng)深入到科研、工業(yè)和人們的生活之中。

當(dāng)代超導(dǎo)體的應(yīng)用

超導(dǎo)體永久電池

目前超導(dǎo)體的研究正在日新月異地發(fā)展，高溫超導(dǎo)體的不斷發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用給超導(dǎo)體永久電池的研制和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了無(wú)限得生機(jī)?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已超過(guò)了100K，也就是說(shuō)可以在液態(tài)氮溫度以上來(lái)完成超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)化。在空氣中氮?dú)獾暮拷?0﹪，它是取之不盡用之不竭的，而且氮?dú)馀欧诺酱髿庵胁粫?huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

超導(dǎo)體永久電池是一種利用超導(dǎo)體在外磁場(chǎng)中形成表面環(huán)形電流的原理，制造電池的方法。當(dāng)使處于永久磁體磁場(chǎng)中的圓形超導(dǎo)體溫度降低到臨界溫度以下，并使之保持超導(dǎo)態(tài)，在其表面形成一個(gè)表面環(huán)形電流，以對(duì)抗外磁場(chǎng)進(jìn)入超導(dǎo)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(dāng)超導(dǎo)體的半徑小于或等于由外磁場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)生的洛倫茲力形成的半徑時(shí)，電子在離心力的作用下向超導(dǎo)體的邊緣集中，而中心處則相對(duì)缺少電子，在超導(dǎo)體的邊緣與表面的中心處產(chǎn)生電壓，構(gòu)成電源。邊緣處為負(fù)極，表面的中心處為正極。

該發(fā)明能將磁場(chǎng)能量直接轉(zhuǎn)變成電能，不需任何機(jī)械能和化學(xué)能，對(duì)環(huán)境也無(wú)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(chǎng)能量不消失電池的電流就不會(huì)消失。該電池只需一個(gè)能將超導(dǎo)體的溫度降到臨界溫度以下的制冷和保溫裝置，使超導(dǎo)體的溫度保持在其臨界溫度以下，并使之處于超導(dǎo)態(tài)。我們可以采用液態(tài)氮為制冷劑，如果將來(lái)能發(fā)現(xiàn)常溫超導(dǎo)體，則該電池將不需要任何其它設(shè)備，在常溫下就能將永久磁體的磁能直接轉(zhuǎn)變成電能。本發(fā)明的制冷與保溫設(shè)備和電池本身的結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單，可在移動(dòng)設(shè)備上廣泛使用（如電動(dòng)汽車、船和飛機(jī)等）；也可以用在家庭、廠礦等固定電器設(shè)備上。

第六種物質(zhì)形態(tài)助開(kāi)發(fā)下一代超導(dǎo)體

科學(xué)家創(chuàng)造出世界上第六種物質(zhì)形態(tài)：費(fèi)密冷凝物，科學(xué)家利用經(jīng)過(guò)度冷卻的鉀原子團(tuán)創(chuàng)造出這項(xiàng)新物質(zhì)形態(tài)。

科學(xué)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(ài)因斯坦凝聚態(tài)(BEC,Bose-Einstein

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

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)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(gè)新聞?dòng)浾哒写龝?huì)上補(bǔ)充說(shuō)：“這項(xiàng)研究提供了一種新的量子機(jī)械性質(zhì)，是一個(gè)科學(xué)突破。”

金領(lǐng)導(dǎo)的小組利用經(jīng)過(guò)度冷卻的鉀原子團(tuán)創(chuàng)造出這項(xiàng)新物質(zhì)形態(tài)，向制造出一種可日常使用的超導(dǎo)體又邁進(jìn)了一步。超導(dǎo)體能夠在絲毫不損失能量的情況下傳導(dǎo)電能。

“這種物質(zhì)