§12-5  超导体的电磁特性

    一、超导体的主要电磁特性

    1. 零电阻性

    1911年卡末林-昂内斯(H.Kamerlingh-Onnes, 1853-1926)发现了水银在4.2 K时电阻突然消失的现象,揭开了超导研究的序幕。电阻为零的现象称为超导电性,出现超导电现象的温度称为转变温度或临界温度,常用TC表示。处于TC以上为正常态, 处于TC以下为超导态。

    电阻为零的导体是理想导体。在理想导体中,r = 0, , 根据电阻率的定义式E =r j0,可以得到

                            E = 0 ,

这表示,即使有电流,理想导体内部的电场也等于零。这一点显然与处于正常态的导体不同,处于正常态的导体只有在静电平衡时内部电场才为零,而有电流时必须存在电场。

    根据上式和法拉第电磁感应定律,可以得到

                         ,

                         B = 恒矢量.                  (12-28)

这表示,在超导体内部不可能存在随时间变化的磁场。

    2. 临界磁场

    实验发现,当把超导体放于磁场中,保持温度不变,而逐渐增大磁场,当磁感应强度达到某特定值时,超导态转变为正常态。磁感应强度的这一特定值称为临界磁场,用BC表示。临界磁场与临界温度之间存在下面的经验公式

                     ,               (12-29)

式中B0是将温度外推到0 K时的BC值。表12-1中列出了几种金属的TCB0值。

                    表12-1 几种金属的临界温度TCB0

 

  Zn

  Ca

  Hg

  Al

  Ga

  In

  Tl

  Sn

  Pb

 TC / K

 0.875

 0.56

 4.15

 1.18

 1.09

 3.40

 2.39

 3.72

 7.19

 B0 / T

0.0053

0.0030

0.0412

0.0105

0.0051

0.0293

0.0171

0.0309

0.0803

图 12-16

    图12-16是超导体的临界磁场与临界温度的关系曲线。曲线以下的区域表示物质的超导态,曲线以上的区域表示物质的正常态。这个图明确地表示,物质处于超导态不仅要求温度低于TC,并且要求磁场小于BC ,而物质处于正常态,只要满足T >TCB >BC两个条件之一即可。

    由于超导态与磁场有关,所以当超导体中有电流通过时,该电流产生的磁场也将作用于超导体自身,当磁场值达到临界磁场时,超导电性也会被破坏。既然如此,超导态还应存在对应的临界电流IC ,并满足与临界磁场相似的关系

                      ,                 (12-30)

式中I0是与B0相对应的电流值。当超导体内的电流I >IC时,超导态将转变为正常态。

    3. 迈斯纳效应

    无论是将超导体放置于磁场中并仍保持超导态,还是在磁场中将物体由正常态转变为超导态,超导体都将把磁感应线完全排斥到体外去, 这种现象称为迈斯纳(W.F.Meissner, 1882-1974)效应,或称完全抗磁性。实验发现,磁场只能透入超导体表面的一定深度,一般约在10-7 m数量级。

    完全抗磁性和零电阻性是超导体的两种彼此独立的基本性质。但常常会发生这样的误解,即认为超导体的完全抗磁性是来源于零电阻性。前面大家已经说过,由超导体的零电阻性只能得到在理想导体内部磁感应强度矢量不随时间变化的结论。根据这个结论,如果在磁场中将物体降温至临界温度以下而变为超导态,那么超导体内只能保持当它失去电阻时内部的磁场状态不变,而不可能得到内部磁场为零的结果。

    4. 同位素效应

    实验发现,同一种超导材料的不同同位素的临界温度TC与同位素的原子量M有如下关系

                             ,                   (12-31)

这种特性称为同位素效应。同一种材料的不同同位素在化学性质、晶体结构、电子组态以及静电性质等方面都是相同的,只是不同的原子量对晶体点阵的热振动(称为晶格振动)的特性有影响。所以,超导体的同位素效应暗示了电子与晶格之间的相互作用是超导现象中的重要因素,为超导电性的研究提供了重要启示。

       
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