Onnes）领导的荷兰莱登实验室完成了氦气 液化的实验，液化点-268ºC—4.25ºK 此后，莱登实验室利用减压降温法获得了 4.25ºK—1.15ºK的低温
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零电阻现象
物质在低温下会出现什么现象？ 1911年卡末林.昂尼斯发现，在
4.2ºK下，Hg电阻突然消失 4.2ºK下，汞电阻比从1/500下降到
内部 应有 磁场
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结论：
理想导体内部是否存在磁力 线以及如何分布与降温及加 外磁场的先后顺序有关，即 与它们的历史经历有关。
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实际的超导体是否就是理想导体呢？
1933年由Meissner和Oshsenfeld对围绕球形导体 （单晶锡）进行了测量
只要T<Tc，在超导体内部B不仅恒定不变，而且恒定 为零，即B=0
Bi t
Ei
0
由理想导体的性质可以推想超导体应具有以 下特点：
B应由初始条件（或实验过程）决定，理想导体中不可 能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也 不能增加。（对否？）
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设想比较两个实验
实验一：金属球经历下图过程
理想导体
磁通不变， 内无磁场
实验二：改变次序
直流Josephson效应
在两超导体之间夹有10－3——10－4m的绝缘
薄层（隧道结，也叫Josephson结），则即使 绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍然可以持 续地流过直流超导电流
交流Josephson效应
如果在绝缘层两侧的超导膜上加交流电压，则 在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波
自 1911 年 卡 末 林 . 昂 尼 斯 （ Kamer lingh Onnes）首次发现超导电现象起直至今日， 超导电性问题引起了人们极大的兴趣，一 门新兴的物理学科——超导物理学由此诞 生。90年多来，该领域的研究获得了一次 又一次的重大进展，有多项研究成果获诺 贝尔物理学奖。超导发展大致经历了以下 三个阶段：
<10-6，这个下降是突然的 莱登实验室估计，1.5ºK下，汞电
阻比<10-9 昂尼斯指出：在4.2ºK以下，汞进
入了一个新的物态，在这新物态 中汞的电阻实际上为零 现代超导重力仪的观测表明，超 导态即使有电阻也必定小于10-28 ， 远远小于正常金属迄今所能达到 的最低电阻率 —— 零电阻现象。 纵坐标为电阻比，横坐标为温度
第十九讲
讲座二：超导体电磁性质 对应录像37、38
说明：录像38中电流部分在下 一讲PPt文件中
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讲座 超导体的电磁性质 ——超导现象及其实验事实
➢零电阻现象 ➢完全抗磁性——迈斯纳效应 ➢临界磁场和临界电流 ➢同位素效应 ➢约瑟夫森效应 ➢各种超导材料简介
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超导现象的发现和研究
同位素的质量相关
不总是-1/2
水银 Tc M 1 2 Tc M
同位素原子量越小，Tc越高
其它超导 元素
作用：为探明超导转变的微观机制提
供了一条重要的线索。
为什么这么说？
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同位素效应暗示了什么？
金属是由晶格粒子(原子实)与共有化的电子组成， 在它们之间概括讲有三大类相互作用
但是在外磁场的影响下，超导体表面层会出现某种 面分布的传导电流——屏蔽电流
传导电流的屏蔽作用使超导体内部的合磁场为零， 导致完全抗磁性，实验证实屏蔽电流存在。
上述两种观点都指出：超导体表面有面电流，完全 抗磁性起源于这种面电流，实际上第一种解释是一 种有用的形式模型，由于超导体的零电阻效应，不 论是磁化电流还是传导电流，均无焦耳热损耗，所 以两种观点是完全等价的
结论与降温及加外磁场的先后顺序无关，即与它们的 历史经历无关。
磁力线似乎一下子被推斥到超导体外。
对超导体，上述第二个实验应为如下结果
超导体不
仅仅是理
想导体，
还具有完
全抗磁性
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结论：
超导体不仅仅是电阻为零的理想导体 理想导体：所经历的过程不同，磁化状态不同 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关
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现象：在锡盘上放置一条永久磁铁，磁悬浮 当温度低于锡的转变温度时，小磁 实验
铁会离开锡盘飘然升起，升至一定 距离后，便悬空不动了
解释：由于磁铁的磁力线不 能穿过超导体．在锡盘感应 出持续电流的磁场，与磁铁 之间产生了排斥力，磁体越 远离锡盘，斥力越小，当斥 力减弱到与磁铁的重力相平 衡时，就悬浮不动了。
T>TC或B>BC，介质处于正常态，磁场会穿透介质 T<TC或B<BC，呈超导态，磁场被完全排出介质 超导体内永远B=0——完全抗磁性
迈斯纳效应是独立于零电阻效应的另一种基本 性质。
迈斯纳效应实际上成为判断真伪超导的依据
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超导体的完全抗磁性的第一种解释
把超导体当作磁介质，它具有特殊磁性
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人类对超导电性的基本探索和认 识阶段 1911年——1957年
昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研 究而获1913年诺贝尔物理学奖
超导微观理论——BCS 理论（ 1957年）
巴丁（J.Bardeen） 库柏(L.N.Cooper) 施瑞弗（J.R.Schrieffer） 获1972年诺贝尔物理学奖
电—声子作用是超导电性的根源
Tc M M Tc 0
原子质量无穷大，晶格粒子不可能运动，它不会 振动，便无超导特性．这给我们以启示
超导特性与原子晶格的振动及形变有关 同位素效应明确告诉我们，电—声子作用是超导
电性的根源 同位素效应是微观理论第一次成功地预言了超导
效应，对电—声子作用的深人探索产生了著名的 BCS理论．
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完全抗磁性——迈斯纳效应
1933年由Meissner和Oshsenfeld发现，超导体一 旦进入超导态，体内磁通量将全部被排除出体外。 磁感应强度恒等于零——迈斯纳效应。
在超导体发现后的20多年中，人们一直把超导体 的磁性归结为超导体的完全导电性的结果，即把 超导体看成仅仅是电阻为零的理想导体
迈斯纳效应展示了超导体与理想导体完全不同的 磁性质，使人们对超导体有了全新的认识——迈 斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本 性质
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理想导体和超导体的区别
理想导体 0 j E Ei＝0
理想导体内不可能存在电场
理想导体内也不可能存在随 时间变化的磁场
又 E B t
两个超导Josephson结构成一个SQUID
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各种超导材料简介
迄今为止，已发现 28种金属元素（在 地球的常态下）以 及合金和化合物具 有超导电性，还有 一些元素只在高压 下才具有超导电性
表12-1给出了一些 典型的超导材料的 临阻值界）温，度图Tc（12零-22电 给出了超导临界温 度Tc（起始值）提 高的历史
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各种名词
超导态：显示出超导电性质的物质状态 超导体：具有上述超导特性的物体 超导转变温度（临界温度）：
物质在低温下，其电阻突然转变为零的温度，用TC表 示，TC也叫转变温度。温度高于TC，超导体和一般金 属一样有电阻，称为正常态
实验发现除了汞外有几十种元素、数千种合金和 化合物都具有超导性。但在超导体发现以后的漫 长时期内，所发现的超导材料的临界温度都比较 低，分布在23.2K——0.02K之间
BC
B0
1
T TC
2
IC
I0
1
T TC
2
图中，曲线把B-T平面划分为 两个区域，正常态和超导态， 从超导态到正常态的变化可以 通过改变温度来实现，也可通 过改变磁场来实现。在曲线上， 发生从正常态到超导态的可逆 变化。
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同位素效应
1950年科学家在用水银的不同的同位素作 实验时发现了同位素效应，即临界温度与
常 量
2eV 精确测定 、V e /
反之， e / 通过圆频率的测量来确定电
压,可以用Josephson结做标准电阻
Josephson效应是库柏对体系在宏观尺度 上表现出来的与相位有直接关系的量子 干涉效应（在A-B效应中讲过）
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SQUID（Superconducting Quantum Interference Device）
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人类对超导技术应用的准备阶段
1958年——1986年
在本世纪60年代达到高峰 ，主要有四大方面发展
实用超导材料的发展； 超导电子器件的发展； 大量技术应用的实验室初探； 千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料
1962年约瑟夫森（Josephson）发现的超导电子 对隧道效应——约瑟夫森效应使他与江崎玲於内 （ Leo Esaki ） 贾 埃 沃 （ Ivar.Giaever ） 分 享 了 1973年的诺贝尔物理学奖 ——超导电子学（超导 量子电子学）兴起
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实验表明
每一种处在超导态的导 体材料，当其中的电流 超过某一临界值或超导 体所在处的磁场的磁感 应强度超过某一临界值 时，超导性都会破坏
超导态 临界值 正常态
TC
IC
BC
临界温度 临界电流 临界磁场
三个临界值 之间有一定 关系
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临界磁场与温度的关系
是T=0 K时的 临界磁场
交变超导电流的振荡频率可表为 2eV
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Josephson效应属于超导电子隧道效应
量 子 效 应
隧道效应是微观粒子所特有的，而大量 微观粒子组成的宏观物体一般不具有量 子化现象和隧道效应。超导体是宏观物 体——宏观量子效应
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重要应用
交流Josephson效应的频率关系