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1、 超导体基本现象的研究摘要：自从人类发明了电，电能对许多领域都起着至关重要的作用，它等同于从电荷的运动中提取能量供给物体产生其他形式的能量，不过由于没有绝对光滑空白的空间，伴随的电阻损耗了大量电能。所以，为了寻求最高效率的能量交换（输运），超导体的开发研究就变得十分重要了。本文主要介绍超导体的发现、发展。超导电性的物理性质，临界参数及相互之间的关系，简单介绍了第I,II类超导体。重点阐述了超导体的唯象二流体模型，London唯象理论，GinzburgLandau理论及BCS超导理论。最后简单的描述了超导体在生活中的应用及未来发展前景。本文将带领我们走进超导世界，学习超导体的一些重要知识。关键词
2、：能量交换；超导体；临界参数；超导理论；唯象二流体；Studies on Basic Properties of SuperconductorAbstract: Since human beings invented the electricity ，the electric power has played play a vital role in many fields. Is is equivalent to extract energy for supplying objects to produce other forms of energy form the change move
3、ment. However, there is no absolutely smooth space. It has consumed too much electric power along with the resistance. In order to seek the most efficient energy exchange (transportation), the development and research of super conductor has become extremely important.This paper mainly introduces the
4、 superconducting discovery, development. The physical properties of superconductivity, critical parameters and the relationship between each other, simply introduces the first I, II class superconductors. Expounds the superconducting phenomenological two fluid model, London phenomenological theory,
5、Ginzburg - Landau theory and BCS superconductor theory. Finally the simple describes the application and in life superconductor future prospects. It will lead us into superconducting world, learning some relevant knowledge of superconductor.Keywords: energy exchange; superconductor; the critical par
6、ameters; superconducting theory; phenomenological two fluid目 录引言 1一、超导现象的发现及发展2二、超导体的物理性质和临界参数3（一）超导体的输运性质4（二）超导体的磁学性质5（三）超导体的热力学性质 7（四）临界参数及其之间的关系 7三、第I,II类超导体 9 （一）第I类超导体 9（二）第II类超导体9四、超导体的相关理论 10（一）唯象二流体模型 10（二）London唯象理论 11（三）GinzburgLandau理论13（四）BCS超导理论14五、超导体的应用及未来发展18（一）电子学和医学应用18（二）科学工程、实验室及
7、交通应用18结 论19参考文献 21 超导体基本现象的研究引言1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。这一发现轰动了全世界的科学家，大家纷纷想要揭开超导的奥秘，因为只有了解超导现象的微观机理，才能使它为人类作出更大的贡献。1955年金秋季节，巴丁与他的研究生罗伯特施里弗，以及另一位年轻的博士利昂库珀组成了一个探索超导现象微观机理的研究小组，开始朝这一神秘的领域进发。最终创立一套完整的超导微观理论。他们三人荣幸地分享了1972年度的诺贝尔物理学奖。这一理论也以他们姓氏的头一个字母命名，称为“BCS理论”。在很长一段时间内，超导材料
8、的临界温度都在相当低的温度范围内徘徊，1986年，从瑞士苏黎士的IBM实验室传来了激动人心的消息：钡镧铜氧化物的临界温度达到30 K。根据BCS理论，超导最高临界温度不会超过40 K，而现在却早已远远地超过了这一极限，必须寻找新的理论。美国物理学家菲利普安德森也提出了一个新的超导理论，他一反“库珀对”的常规，认为电子不是互相吸引而是互相排斥，正是这种排斥才使电子与电子挨近了,结合了。中国复旦大学的陶瑞宝也提出了一个超导的激子渗流理论，这一理论认为，处于超导态下的电子具有特殊的能带结构，这些电子形成的电子波在晶体中互相迭加，当在这晶体中通以电流时，电子就会绕过晶体中的点阵，沿电子波迭加的方向运动
9、，不会产生阻力，由此便产生了超导现象。超导现象真正的微观机理还是一个谜，解开这个谜将是人类的又一大进步2,5,6。一、 超导现象的发现及发展1911年，荷兰莱顿大学的卡末林昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98 时，汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林昂内斯称之为超导态。卡末林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，
10、电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具
11、有超导性。为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2 K提高到23.22 K（0 K=-273.15；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30 K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2 K，1987年1月升至43 K，不久又升至46 K和53 K，2月15日发现了98 K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安
12、静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本国开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。 超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材
13、料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现2,3,5。 现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。二、 超导的物理性质和临界参数（一） 超导体的输运性质将超导体冷却到某一临界温度以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。在超导条件下，电阻等于零是超导体的最显著的特性。如果将一金属环放在磁场中,突然撤去磁场,在环内就会出现感生电流。金属环具有电阻R和电感L。由于焦耳热损耗,感生电流会逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。这种“持续电
14、流”已在多次实验中观察到。测量超导环中持续电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.610-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.610-6欧姆厘米还要小4.41016倍。在Onnes成功地液化氦气之前，人们对金属材料的低温电阻性质有三种猜测如下图（1）：（1）假如金属的低温电阻率完全来源于晶格振动导致的电子-声子散射，由于热声子数随着问的下降而减少，金属电阻行为由曲线（a）描述；（2）假如金属的低温电阻率主要来自晶体中杂质和晶体缺陷的散射，金属电阻讲趋近于杂质和晶体缺陷浓度成正比的一个常量，如曲线（b）；（3）假如金属中载流子浓度随温度的下降而减少，金属的低温电阻率将会随温度的下降而上升，如（c）。 图（1） 金属电阻在低温下的可能行为(人们对金属材料的低温电阻性质有三种猜测)然而大量实验表明上述假设情景都没有出现。随后研究表明，超导电性广泛存在于各种元素金属、合金及化合物中，超导电性并不局限于某种特定的晶体结构中5。然而，超导体的电阻率严格上来讲只在直流情况下为零，当交流电的频率越来越高时，交流电阻率便开始出现。超导体在光波频率时出现失超在超导体的早期研究就被注意到
