磁介质之超导体论文

超导体的简单介绍及其在各领域的应用摘要自1911年卡莫林·昂内斯发现超导现象以来，超导电性问题收到了各国科学家的广泛注意，超导电性及超导材料在各领域的应用日益广泛。本文进队超导现象、超导体的主要特性及其理论解释、超导的主要应用作简单介绍关键词超导电性、应用一、定义、介绍1、超导体某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质。1911年荷兰物理学家H·卡末林·昂内斯发现汞在温度降至4.2K附近时突然进入一种新状态，其电阻小到实际上测不出来，他把汞的这一新状态称为超导态。以后又发现许多其他金属也具有超导电性。低于某一温度出现超导电性的物质称为超导体。2、超导电性在适当的温度、磁场强度和电流密度下，物体被认为具有直流电阻为零和体内磁感应强度为零的性质。3、超导电性-超导电性的发现1908年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯液化氦成功，从而达到一个新的低温区（4.2K以下），他在这样的低温区内测量各种纯金属的电阻率。1911年，他发现，当温度降到4.2K附近时，汞样品的电阻突然降到0。不但纯汞，而且加入杂质后,甚至汞和锡的合金也具有这种性质。他把这种性质称为超导电性。4、二流体模型戈特和H·B·G·卡西米尔根据以上结果于1934年提出了超导态的二流体模型，认为超导态比正常态更为有序是由共有化电子（见能带理论）发生某种有序变化所引起，并假定：①超导体处于超导态时，共有化电子可分成正常电子和超导电子两种，分别构成正常流体和超导电子流体，它们占有同一体积，彼此独立地运动，两种流体的电子数密度均随温度而变。②正常流体的性质与普通金属中的自由电子气相同，熵不等于零，处于激发态。正常电子因受晶格振动的散射而会产生电阻。超导电子流体由于其有序性而对熵的贡献为零，处于能量最低的基态。超导电子不会受晶格散射，不产生电阻。③超导态的有序度可用有序参量ω（T）=Ns（T）/N表示，N为总电子数，Ns为超导电子数。TTC时，无超导电子，ω=0；ΤTc时开始出现超导电子，随着温度T的减小，更多的正常电子转变为超导电子；T=0K时，所有电子均成为超导电子，ω=1。根据上述二流体模型可解释许多与超导电性有关的实验现象。5、超导体的宏观电磁理论1935年，F·伦敦和H·伦敦两兄弟在二流体模型的基础上运用麦克斯韦电磁理论提出了超导体的宏观电磁理论，成功地解释了超导体的零电阻现象和迈斯纳效应。根据伦敦的理论，磁场可穿入超导体的表面层内，磁感应强度随着深入体内的深度X指数地衰减：B(x)∝e-x/λ，衰减常数λ称为穿透深度。当超导体的线度小于穿透深度时，体内的磁感应强度并不等于零，故只有当超导体的线度比穿透深度大得多时，才能把超导体看成具有完全的抗磁性。实际测量证实了存在穿透深度这一理论预言，但理论数值与实验不符。1953年A.B.皮帕德对伦敦的理论进行了修正。伦敦的理论未考虑到超导电子间的关联作用，皮帕德认为超导电子在一定空间范围内是相互关联的，并引进相干长度的概念来描述超导电子相互关联的距离（即超导电子波函数的空间范围）。皮帕德得到了与实验相符的穿透深度。6、超导电性-超导电性的微观理论经典理论对超导电性产生的原因无法解释。在量子论建立不久，F.伦敦就指出，超导环内的磁通是量子化的。因此，超导电性是宏观世界的量子现象。1962年，实验证实磁通是量子化的。1950年H.弗罗利希指出，金属中电子通过交换声子（点阵振动）可以产生吸引作用。同年的实验发现T0∞M-½,其中M为同位素质量,这也表明导致超导电性的相互作用与金属的点阵振动有关。1956年，L.N.库珀从理论上证明了费密面附近的两个电子，只要存在净的吸引作用，不管多么微弱，都可以形成束缚态──库珀对。第二年，J.巴丁、库珀和J.R.施里弗建立了完整的超导微观理论（BCS理论）。BCS理论可以导出与伦敦方程、皮帕德方程以及京茨堡－朗道方程相类似的方程，从而可以解释超导电性的各种现象，并且其结果与实验符合得更好。BCS理论是以近自由电子模型为基础,是在电子－声子作用很弱的前提下建立起来的理论。对于某些超导体，例如汞和铅,有一些现象不能用它来解释。在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论，对这些现象能很好地解释（见强耦合超导体）。7、BCS理论J·巴丁、L·N·库珀和J·R·施里弗三人于1957年建立了关于超导态的微观理论，简称BCS理论，以费米液体为基础，在电子，声子作用很弱的前提下建立起来的理论。它认为超导电性的起因是费米面附近的电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引作用，由于这种吸引作用，费米面附近的电子两两结合成对，叫库珀对。BCS理论可以导出与伦敦方程、皮帕德方程以及京茨堡-朗道方程相类似的方程，能解释大量的超导现象和实验事实。对于某些超导体，例如汞和铅，有一些现象不能用它解释，在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论可以解释。二、超导电性的应用超导电性具有重要的应用价值，如利用在临界温度附近电阻率随温度快速变化的规律可制成灵敏的超导温度计；利用超导态的无阻效应可传输强大的电流，以制造超导磁体、超导加速器、超导电机等；利用超导体的磁悬浮效应可制造无摩擦轴承、悬浮列车等；利用约瑟夫森效应制造的各种超导器件已广泛用于基本常数、电压和磁场的测定、微波和红外线的探测，及电子学领域。高临界温度超导材料的出现必将大大扩展超导电性的应用前景。超导体最理想的应用是在城市商业用电输送系统当中充当电缆带材。然而由于费用过高和冷却系统难以达到现有要求导致无法实用化，但现在已经有部分地点进行了试运行。2001年五月，丹麦首都哥本哈根大约150,000居民使用上了由超导材料传送的生活用电。2001年夏，Pirelli公司为底特律一个能源分局完成了可以输送1亿瓦特功率电能的三条400英尺长高温超导电缆。这也是美国第一条将电能通过超导材料输送给用户的商用电缆。2006年7月住友商事电子在美国能源部和纽约能源研究发展委员会的支持下进行了一项师范工程——超导DI-BSCCO电缆首次入网运行。到目前为止该电缆承担着70,000个家庭的供电需求并且未出现过任何问题。利用超导体的磁悬浮效应，可以实现速度高达581km/h的磁悬浮列车，世界上第一条磁悬浮列车建成于英格兰伯明翰。我国上海浦东机场也有一天长达30km的磁悬浮列车于2003年12月投入运营。超导电性应用量最大的、最有成效的是超导磁体。超导磁体有着常规磁体不能比拟的优越性。超导磁体没有焦耳热损耗，不需要冷却，易于在较大的空间内获得强磁场。例如产生一个磁场强度5特斯拉的常规磁体的质量是20吨，而超导磁体仅几千克。目前超导磁体能产生175特斯拉的场强，所耗电能15千瓦，如用常规磁体耗电能竟达到7兆瓦左右。超导体还可应用在高速火箭发射上。若在真空隧道中进行，速度可提高到5000米／秒。超导电性在电子学方面也有广泛的应用。利用超导电性制成冷子管来作计算机元件能大大提高计算机的计算效率。利用超导电性可制成灵敏度高、噪声低、响应速度快和损耗小的器件，具有这种特点的器件可应用在各个方面。比如代替标准电池作为电压基准，稳定可靠，其精度已达到2×10－8。用这种器件可制成超导量子干涉仪，来探查或测量微弱的磁场，其分辨率目前可达到10－15特斯拉。这种高灵敏度的磁强计可用来测量人的心脏和大脑所产生的磁场。超导磁体也使得制造能将亚粒子加速到接近光速的粒子对撞机成为可能。超导材料还可应用于超导直流电机、变压器以及磁流体发电机，将显著提高能效并显著减轻重量以及体积。此外超导计算机、超导储能线圈、核磁共振成像、超导量子干涉仪（SQUID）、开关器件、高性能滤波器、军事上的超导纳米微波天线，电子炸弹、超导X射线检测仪、超导光探测器以及160Ghz的超导数字路由器等这都是非常诱人的应用项目。参考文献管惟炎、李宏成、蔡建华、吴杭生等著:《超导电性·物理基础》，科学出版社，北京，1981。吴杭生、管惟炎、李宏成等著：《超导电性·第二类超导体和弱连接超导体》，科学出版社，北京，1979。