大学物理：电磁学部分_超导体

超导体 超导电性的发现 超导电性在1911年由荷兰物理 学家翁内斯( Onnes)发现。 1908年荷兰物理学家翁内斯经 体”氦气(He)液化。1911年翁内斯 在研究金属电阻随温度变化规律时 发现,当温度降低时,汞(Hg)的电 阻先是平稳地减小,而在4.2K附近, 电阻突然降为零。于是称这种情况 下发生的零电阻现象为物质的超导 电性。当然,具有超导电性的材料 也就称之为超导体。超导体开始失 去电阻时的温度称为超导转变温度( kammerlingh Onnes)

1 超导体 超导电性的发现 超导电性在1911年由荷兰物理 学家翁内斯(Onnes)发现。 1908年荷兰物理学家翁内斯经 过长期努力，使最后一种“永久气 体”氦气(He)液化。1911年翁内斯 在研究金属电阻随温度变化规律时 发现，当温度降低时，汞(Hg)的电 阻先是平稳地减小，而在4.2K附近， 电阻突然降为零。于是称这种情况 下发生的零电阻现象为物质的超导 电性。当然，具有超导电性的材料 也就称之为超导体。超导体开始失 去电阻时的温度称为超导转变温度 (Tc)。 (kammerlingh_Onnes)

温度在Tc以上时,超导体与正常导 体一样,都有一定的电阻值,此时超体 处于正常态,而在Tc以下,超导体处于 零电阻状态,即超导态。但实际上,超 导体从正常态向超导态的过渡是在一个 温度间隔内完成的,这个温度间隔称为 转变温度,与超导体的性质有关。因此 我们通常将超导体电阻下降到正常态电 阻值一半时所处温度定为Tc

2 温度在Tc以上时，超导体与正常导 体一样，都有一定的电阻值，此时超体 处于正常态，而在Tc以下，超导体处于 零电阻状态，即超导态。但实际上，超 导体从正常态向超导态的过渡是在一个 温度间隔内完成的，这个温度间隔称为 转变温度，与超导体的性质有关。因此， 我们通常将超导体电阻下降到正常态电 阻值一半时所处温度定为Tc

零电阻现象 大家都知道,若将金属环放在磁场中,则环内 将产生感应电流,对于正常金属来说,当磁场去 掉后,环内电流很快衰减为0,而对于超导环,情 况却完全不同,下图为著名的持续电流实验。 (1)T>T在超导环上加 (2)T<T圆环在磁场中变为(3)突然撤去外磁场,超导的 超导态 圆环产生持续电流 磁场

3 零电阻现象 大家都知道，若将金属环放在磁场中，则环内 将产生感应电流，对于正常金属来说，当磁场去 掉后，环内电流很快衰减为0，而对于超导环，情 况却完全不同，下图为著名的持续电流实验。 （1）T>Tc在超导环上加 磁场 （2）T<Tc圆环在磁场中变为 超导态 （3）突然撤去外磁场，超导的 圆环产生持续电流

磁场变化时产生的感生电动势为-∮dB/dt,所以感 生电流I为SdB/dt=RI+LdI/dt(1.1) 当外磁场停止变化时有 RI+LdI/dt=O 所以有 t=I(Exp(-Rt/L) 其中I(0)是初始电流,I()是在t(>0)时刻的电流。显然, 如果R≠0,则电流I(t)是随时间指数衰减的 如果R=0,则(1.1)式变为 SdB/dt=LdI/dt (1.3) 所以有 LI+ SB=const(1.4)

4 磁场变化时产生的感生电动势为-∮dB/dt，所以感 生电流I为 SdB/dt=RI+LdI/dt (1.1) 当外磁场停止变化时有 RI+LdI/dt=0 (1.2) 所以有 I(t)=I(0)exp(-Rt/L) 其中I(0)是初始电流，I(t)是在t(>0)时刻的电流。显然， 如果R≠ 0,则电流I(t)是随时间指数衰减的。 如果R=0，则(1.1)式变为 SdB/dt=LdI/dt （1.3） 所以有 LI+ SB=const (1.4)

而L+SB是穿过回路的总磁通量,于是 我们证明了穿过一无阻回路的总磁通量 不变。当外磁场改变时就产生一个感生 电流,这个电流I产生的磁通正好补偿外 磁通的变化,因为R=0,所以感生电流 将持续流动下去。即使外磁通变为零, 环内磁通仍由感生的环形电流维持

5 而LI+SB是穿过回路的总磁通量，于是 我们证明了穿过一无阻回路的总磁通量 不变。当外磁场改变时就产生一个感生 电流，这个电流I产生的磁通正好补偿外 磁通的变化，因为R=0，所以感生电流 将持续流动下去。即使外磁通变为零， 环内磁通仍由感生的环形电流维持

将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下, 突然撤去磁场,则在超导坏中产生感生电流。实验发现 此电流可以持续存在,观查几年也未发现电流有明显变 化。应该指出的是,超导体只有在直流情况下才有零电 阻现象,若电流随时间变化,将会有功率耗散。 完全抗磁性(迈斯纳效应) 直到1933年,人们从零电阻现象出发,一直把超导 和完全导体(或称无阻导体)完全等同起来,而1933年德 国物理学家迈纳斯和奥克森菲尔德的磁测量表明,超导 体的磁性质与完全导体不同。下图所示体现了理想导体 与实际超导体中磁场的区别

6 将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下， 突然撤去磁场，则在超导坏中产生感生电流。实验发现， 此电流可以持续存在，观查几年也未发现电流有明显变 化。应该指出的是，超导体只有在直流情况下才有零电 阻现象，若电流随时间变化，将会有功率耗散。 • 完全抗磁性（迈斯纳效应） 直到1933年，人们从零电阻现象出发，一直把超导 和完全导体(或称无阻导体)完全等同起来，而1933年德 国物理学家迈纳斯和奥克森菲尔德的磁测量表明，超导 体的磁性质与完全导体不同。下图所示体现了理想导体 与实际超导体中磁场的区别

(a)理想导体TT。T<TT<T (b)超导体TT。T<TT<Te 由此可见,对于理想导体,在处于正常状态时加了外磁场, 磁力线穿过其内部,降温使其转变为完全导体,由于完全导体 的磁性质,内部磁通分布将不变,去掉外磁场后,完全导体仍 还将保持其内部的磁通线。而对于超导体,当从正常态变到超 导态后,原来穿过超导体的磁通被完全排出到超导体外,同时 超导体外的磁通密度增加。由此可见,只要T<Tc,在超导体内 部总有磁感应强度B=0,这种现象就叫做迈斯纳效应

7 由此可见，对于理想导体，在处于正常状态时加了外磁场， 磁力线穿过其内部，降温使其转变为完全导体，由于完全导体 的磁性质，内部磁通分布将不变，去掉外磁场后，完全导体仍 还将保持其内部的磁通线。而对于超导体，当从正常态变到超 导态后，原来穿过超导体的磁通被完全排出到超导体外，同时 超导体外的磁通密度增加。由此可见，只要TTc TTc T<Tc T<Tc

超导体的优缺点 了如果超导体能应用于实际会降低输电 损耗,提高效率及在其他方面给人类带 来许多好处 目前超导体还只应用在科学实验和高 新技术中,这是因为一般的金属或合金的 超导临界温度都较低

8 超导体的优缺点 如果超导体能应用于实际会降低输电 损耗，提高效率及在其他方面给人类带 来许多好处. 目前超导体还只应用在科学实验和高 新技术中,这是因为一般的金属或合金的 超导临界温度都较低

我们用超导体干什么? 超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性,将 超导材料放在一块永久磁体 的上方,由于磁体的磁力线 不能穿过超导体,磁体和超 导体之间会产生排斥力,使 超导体悬浮在磁体上方。利 用这种磁悬浮效应可以制作 高速超导磁悬浮列车

9 我们用超导体干什么? 超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将 超导材料放在一块永久磁体 的上方，由于磁体的磁力线 不能穿过超导体，磁体和超 导体之间会产生排斥力，使 超导体悬浮在磁体上方。利 用这种磁悬浮效应可以制作 高速超导磁悬浮列车

上海的磁景浮列车 上海磁悬浮快速列车 就是一条连接浦东国 际机场与上海市区的 高速交通线

10 上海磁悬浮快速列车 就是一条连接浦东国 际机场与上海市区的 高速交通线