超导材料的电磁特性实验目的和原理

超导材料的电磁特性实验目的和原理

近十几年来，高温超导材料的研究可谓轰轰烈烈。YBaCuO、BiSrCaCuO等系列的超导转变温度Tc，超导电流等参数有了很大提高。高温超导线材与薄膜在应用方面也有了很大的突破。为了让学生及时了解和接触一些目前处于科学前沿的东西，有必要将“超导材料的电磁特性”实验引入到近代物理实验课程当中。

一、实验目的

1、通过做本实验使学生对当今世界广泛关注的新型超导材料(YBa2Cu307-x)有初步的了解。

2、测量超导材料电阻率随温度变化的特性曲线。

3、观察超导材料的迈斯纳效应。

4、了解超导材料的一些应用。

二、实验原理

1、超导转变温度和迈斯纳效应

某些金属被冷却到极低温度时呈现出异乎寻常的电、磁综合特性。所谓极低温度是由荷兰物理学家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能达到的极低温度。3年后，1911年他发现纯汞(Hg)的电阻在这样低的温度下(约4.2K)，小到了无法测量的程度。在这一温度下，汞的电阻不是平稳地下降，而是急剧下降，当低于这一温度时，汞便完全不显示电阻了，见图1。昂尼斯认识到，汞在4.2K以下时便进入一种新的状态，这种新的状态称为“超导态”。相应的物质(如Hg)称为超导体，后来发现许多金属及其化合物都具有超导电性。超导体失去电阻的温度称为超导转变温度或临界温度，用Tc表示。至1973年人们发现超导转变温度的是Nb3Ge，临界温度为23K，从此以后一直没有进展。1986年1月IBM公司在瑞士苏黎士实验室的两名研究员(Bednorz和Műller)发现了30K的超导材料。这种材料是一种氧化铜和钇加少量钡和锶、或钙的陶瓷材料，以此为基础，在国际上开始了高临界温度超导材料的研究热潮，1986年底便把超导材料的转变温度提高到了88K，首次突破使用液氮温度(77K)的大关。这两名研究员为此获得1987年诺贝尔物理奖。

在超导态下，电阻是真正变为零了呢，还是仅仅降低到了一很小的值?当然，实验永远不能证明电阻确实为零。任何样品的电阻可能总是恰好小于仪器的灵敏度允许探测到的电阻。一般测量方法是把电流通入超导体，再用灵敏伏特计连到线的两端，测试其电压便能测得超导体的电阻，本实验便采取此方法(所谓四线法)测试。更为灵敏的实验是，给超导环内通一电流，经过长时间观察测量后，看电流有没有衰减。设环的自感为L，若t=0时环中电流为i(O)，那么，在稍后的时间t，电流应衰减为i(t)=i(O)e-(R/L)t，其中R为环的电阻。我们能测量环行电流产生的磁场并由此观测是否随时间衰减。测量磁场变化不从电路中引出能量，从而我们应能用此方法测试电流是否无限地循环下去。根据超导闭合线圈中环行电流不衰减的事实。Gallop得出结论，超导金属的电阻率小于10-26欧姆·米(即小于室温下铜电阻率的10-18，由此看来超导体的电阻视为零是正当的。

超导材料除失去电阻这一特性外，还有另一个重要的特性是完全逆磁性。按麦克斯韦方程:▽×E=-B/t，既然超导体内没有电阻，则可视为理想导体，因此▽×E为零，势必磁感应强度不随时间变化，即B/t=0。超导体的磁感应强度应由初始条件决定，当一块金属处于超导态，然后施加磁场，其数值小于临界磁场Bc，此时超导体内B=0，没有磁感应线，如图2(b)。假如此超导体在高于Tc的温度时先处在磁场中，其体内有磁感应强度B=B0，其值小于Bc，然后让它冷却至Tc以下的温度，此金属变为超导态。按上述理论，超导体内将保持原有的磁感应强度，如图2(a)。事实上，1933年，迈斯纳和奥森菲尔德做了实验，在小磁场中把金属冷却变成超导态时，超导体内的磁感应线完全被排斥出来，保持体内磁感应强度为零，如图2(c)所示。

总之，实验表明，不论在进入超导态之前金属体内有没有磁感应线，当它进入超导态后，只要外磁场|B0|小于临界磁场Bc，超导体内磁感应强度总是等于零，即B=B0+μ0M=0。由此求得金属在超导电状态的磁化率为χ=μ0M/B0=-1，是负值。以上B0是外加磁场H在真空中的磁感应强度。所以说，超导体是一个“完全抗磁体"，超导体的完全抗磁性称为迈斯纳效应。此效应的意义在于否定了把超导体简单地看作理想导体的设想，这还指明了超导态是一个热力学平衡的状态，同怎样进入超导态的途径无关。

2、关于超导态现象的两种理论解释。

1)、二流体模型

二流体模型是1934年为了解释超导体的热力学特性提出来的。该模型认为超导体内的传导电子可分成两类:正常的传导电子和超导电子(或超流电子)。正常传导电子就是普遍意义下的自由电子，超导电子则是特殊状态下的电子，超导电子处在一种“凝聚”，状态，所谓“凝聚”是指它们聚集在一能量状态，其特点是不发生散射。该模型认为:两类电子占据同一体积，互相渗透，彼此独立地运动，式中n是正常电子和超导电子的总浓度。当T=0K时，所有电子都变成超导电子。当T=Tc时，所有电子都变成正常电子。可把ns/n作为有序化程度的一个量度，称之为有序参量或有序度。

二流体模型可以说明零电阻特性。当T<Tc时超导电子出现，由于它们不被散射，因而具有无限大的电导率;金属内不能存在电场，正常电子不负载电流，从而导致整个样品显示无限大的电导率。

2)、伦敦方程

在二流体模型基础上，1955年伦敦兄弟提出了两个描述超导电流和电磁场关系的方程，成功地解释了零电阻现象和迈斯纳效应，并预言了一些新结果。

其中，是一个库柏对的有效电荷和有效质量，分别为2e和2m。因为超导电子实际上是两个结合在一起的电子对，即库柏对。

                            图3超导体表面磁感应强度分布

在超导体内部的磁通密度按指数规律迅速衰减如图3所示，λ称为伦敦穿透深度，是磁场在超导体内发生显著变化的尺度。按（11）式估算，λ≈10-6cm，与实验值接近，说明仅在超导体表面附近约10-6cm的薄层内才有不为零的磁场。超导体内的磁场实际是零，因此说明了迈斯纳效应。是在表面很薄的一层内产生的沿Z方向的电流，它的作用是产生磁场以抵消沿y方向的外磁场，使超导体内总是B=0，称它为抗磁电流或屏蔽电流。换言之，正是这样分布的表面层的屏蔽电流，抵消了深入到超导体内的外磁场，才使超导体始终保持零磁场状态。

因此，伦敦理论不仅解释了迈斯纳效应和零电阻特性，而且预言了磁场的屏蔽需要一个有限的厚度，磁场穿透的深度应为10-6cm的数量级。

                            图4两类超导体

超导体按其磁化特性可分为二类:类超导体只有一个临界磁场Bc，其磁化曲线如图4所示，在超导态具有完全逆磁性。第二类超导体有两个临界磁场，上临界磁场Bc1和下临界磁场Bc2，当外磁场B0小于BC1时，同类一样。第二类超导体处于迈斯纳状态(即完全抗磁性)，体内没有磁感应线穿过，当外磁场B0介于Bc1和Bc2之间时，第二类超导体处于混合态，这时体内有磁感应线穿过，形成许多半径很小的圆柱形正常区。正常区周围是连通的超导区，整个样品的周围仍有逆磁电流。这样第二类超导体处在混合态，既具有逆磁性(但B0)又仍然没有电阻，新发现的YBa2Cu307-x就属于第二类超导体材料。http://www.dgzhenghang.com.cn