超導(dǎo)體的基本物理特性
超導(dǎo)體的基本物理特性
超導(dǎo)體，又稱(chēng)為超導(dǎo)材料，指在某一溫度下，電阻為零的導(dǎo)體。那么關(guān)于超導(dǎo)體，它的基本物理特性有哪些?在下面學(xué)習(xí)啦小編給你分享超導(dǎo)體的基本物理特性，歡迎閱讀。
超導(dǎo)體的基本物理特性：完全導(dǎo)電性
完全電導(dǎo)性又稱(chēng)零電阻效應(yīng)，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。
完全電導(dǎo)性適用于直流電，超導(dǎo)體在處于交變電流或交變磁場(chǎng)的情況下，會(huì)出現(xiàn)交流損耗，且頻率越高，損耗越大。[1] 交流損耗是超導(dǎo)體實(shí)際應(yīng)用中需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題，在宏觀上，交流損耗由超導(dǎo)材料內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)與感生電流密度不同引起;在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運(yùn)動(dòng)引起 。交流損耗是表征超導(dǎo)材料性能的一個(gè)重要參數(shù)，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導(dǎo)裝置的制冷費(fèi)用，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。
超導(dǎo)體的基本物理特性：完全抗磁性
完全抗磁性又稱(chēng)邁斯納效應(yīng)，“抗磁性”指在磁場(chǎng)強(qiáng)度低于臨界值的情況下，磁力線無(wú)法穿過(guò)超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零的現(xiàn)象，“完全”指降低溫度達(dá)到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場(chǎng)兩項(xiàng)操作的順序可以顛倒。完全抗磁性的原因是，超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)。
超導(dǎo)體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導(dǎo)體并不等同于理想導(dǎo)體。從電磁理論出發(fā)，可以推導(dǎo)出如下結(jié)論：若先將理想導(dǎo)體冷卻至低溫，再置于磁場(chǎng)中，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零;但若先將理想導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，再冷卻至低溫，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)不為零。對(duì)于超導(dǎo)體而言，降低溫度達(dá)到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場(chǎng)這兩種操作，無(wú)論其順序如何，超導(dǎo)體超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導(dǎo)體區(qū)別于理想導(dǎo)體的關(guān)鍵。
超導(dǎo)體的基本物理特性：通量量子化
通量量子化又稱(chēng)約瑟夫森效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時(shí)，電子對(duì)可以穿過(guò)絕緣層產(chǎn)生隧道電流的現(xiàn)象，即在超導(dǎo)體(superconductor)—絕緣體(insulator)—超導(dǎo)體(superconductor)結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生超導(dǎo)電流。
約瑟夫森效應(yīng)分為直流約瑟夫森效應(yīng)和交流約瑟夫森效應(yīng)。直流約瑟夫森效應(yīng)指電子對(duì)可以通過(guò)絕緣層形成超導(dǎo)電流。交流約瑟夫森效應(yīng)指當(dāng)外加直流電壓達(dá)到一定程度時(shí)，除存在直流超導(dǎo)電流外，還存在交流電流，將超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)透入絕緣層，超導(dǎo)結(jié)的最大超導(dǎo)電流隨外磁場(chǎng)大小作有規(guī)律的變化。
超導(dǎo)體的背景
超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)與低溫研究密不可分。在18世紀(jì)，由于低溫技術(shù)的限制，人們認(rèn)為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等。1898年，英國(guó)物理學(xué)家杜瓦制得液氫。1908年，荷蘭萊頓大學(xué)萊頓低溫實(shí)驗(yàn)室的卡末林·昂內(nèi)斯教授成功將最后一種“永久氣體”——氦氣液化，并通過(guò)降低液氦蒸汽壓的方法，獲得1.15~4.25K的低溫。[2] 低溫研究的突破，為超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，對(duì)金屬的電阻在絕對(duì)零度附近的變化情況，有不同的說(shuō)法。一種觀點(diǎn)認(rèn)為純金屬的電阻應(yīng)隨溫度的降低而降低，并在絕對(duì)零度時(shí)消失。另一種觀點(diǎn)，以威廉·湯姆遜(開(kāi)爾文男爵)為代表，認(rèn)為隨著溫度的降低，金屬的電阻在達(dá)到一極小值后，會(huì)由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o(wú)限大。
1911年2月，掌握了液氦和低溫技術(shù)的卡末林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)，在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數(shù)，而不是通過(guò)一極小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯認(rèn)為純鉑的電阻應(yīng)在液氦溫度下消失。為了驗(yàn)證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。首先，卡末林·昂尼斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀;然后利用液氦將溫度降低至4.2K附近，并在汞線兩端施加電壓;當(dāng)溫度稍低于4.2K時(shí)，汞的電阻突然消失，表現(xiàn)出超導(dǎo)狀態(tài)。
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