超導(dǎo)體有哪些物理特性？超導(dǎo)體完全抗磁性原理

超導(dǎo)體有哪些物理特性

超導(dǎo)體一般我們認(rèn)為就是電阻接近零的導(dǎo)體，超導(dǎo)體的另一個重要特征是完全抗磁性。但是目前科學(xué)界發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料，都是指在某一溫度下，電阻為零的導(dǎo)體。而在實驗中，若導(dǎo)體電阻的測量值低于10-25Ω，可以認(rèn)為電阻為零。

重點要說的是，超導(dǎo)體具有三個基本特性：完全導(dǎo)電性、完全抗磁性、通量量子化。

關(guān)于超導(dǎo)體的完全抗磁性我們簡單說明下，所謂抗磁性，磁場引起超導(dǎo)電流，電流又生成磁場，由于是超導(dǎo)所以磁場能夠互相抵消，而這就是磁懸浮的原理。

完全抗磁性又稱邁斯納效應(yīng)，“抗磁性”指在磁場強度低于臨界值的情況下，磁力線無法穿過超導(dǎo)體，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象，“完全”指降低溫度達(dá)到超導(dǎo)態(tài)、施加磁場兩項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)生一個無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。

通量量子化又稱約瑟夫森效應(yīng)，指當(dāng)兩層超導(dǎo)體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產(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。

超導(dǎo)體有哪些物理特性

超導(dǎo)體具有以下物理特性：

1. 零電阻：超導(dǎo)體在低于特定溫度時（或者是特定壓力條件下），電阻趨近于零，電流能夠穩(wěn)定通過，不會消耗能量。

2. 零磁場：在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體會將磁場完全排斥，磁通量量子不變。這種特性被稱為邁斯納效應(yīng)。

3. 霍爾效應(yīng)的消失：超導(dǎo)體在超導(dǎo)狀態(tài)下失去了霍爾效應(yīng)，即不再產(chǎn)生霍爾電壓。

4. 超流動：在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)體中的電流能夠一直流過，直到超導(dǎo)狀態(tài)結(jié)束，而不會受到任何阻礙。

5. 共存區(qū)：當(dāng)超導(dǎo)體的溫度或磁場超過特定的臨界值時，會跳出超導(dǎo)狀態(tài)。此時會出現(xiàn)共存區(qū)，即部分區(qū)域是超導(dǎo)體，部分區(qū)域是正常導(dǎo)體。

6. 超導(dǎo)電性能：超導(dǎo)體的電性能非常優(yōu)秀，其電流密度、磁場承受能力等指標(biāo)都非常高。這些性能使得超導(dǎo)體被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、能源、輸電等領(lǐng)域。

完全抗磁性

完全抗磁性是指磁場中的金屬處于超導(dǎo)狀態(tài)時，體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是德國科學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)的，因此又稱為邁斯納效應(yīng)。他在實驗中發(fā)現(xiàn)，放在磁場中的球形的錫在過渡到超導(dǎo)態(tài)的時候，錫球周圍的磁場都突然發(fā)生了變化，磁力線似乎一下子被排斥到導(dǎo)體之外。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，原來超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個無損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，恰巧抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。

超導(dǎo)體完全抗磁性原理

1933年德國物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德對錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)，在小磁場中把金屬冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時，體內(nèi)的磁力線一下被排出，磁力線不能穿過它的體內(nèi)，也就是說超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，體內(nèi)的磁場恒等于零。這種效應(yīng)被稱為“邁斯納效應(yīng)”

超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強度恒為零，且不論對導(dǎo)體是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。此外，超導(dǎo)體還是完全的抗磁體，外加磁場無法進(jìn)入或（嚴(yán)格說是）大范圍地存在于超導(dǎo)體內(nèi)部，這是超導(dǎo)體的另一個基本特性。

由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無法穿透超導(dǎo)體，磁場發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個向上的浮力（白霧是由于液氮對空氣中的水蒸氣冷卻所致）。

后來人們還做過這樣一個實驗，在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小磁性很強的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動了。這是由于超導(dǎo)體“不允許”其內(nèi)部有任何磁場，如果外界有一個磁場要通過超導(dǎo)體內(nèi)部，那么超導(dǎo)體必然會產(chǎn)生一個與之相反的磁場，保證內(nèi)部磁場強度為零。這就形成了一個斥力。當(dāng)在一個超導(dǎo)體正下方放置一個磁體，并使磁感線垂直通過超導(dǎo)體的時候，超導(dǎo)體將獲得垂直的上浮力。當(dāng)這個力的大小剛好等于超導(dǎo)體的重力的時候，超導(dǎo)體就可以懸浮在空中。

邁斯納效應(yīng)指明了超導(dǎo)態(tài)是一個動態(tài)平衡狀態(tài)，與如何進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)，超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個相互獨立，又相互聯(lián)系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應(yīng)的存在，但零電阻效應(yīng)又是邁斯納效應(yīng)的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時具備零電阻和邁斯納效應(yīng)。

室溫超導(dǎo)新材料

人類最初發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體是在1911年，1911年荷蘭科學(xué)家?？恕た┝帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人發(fā)現(xiàn)，汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導(dǎo)狀態(tài)。

目前科學(xué)家都在尋找室溫超導(dǎo)新材料。

室溫超導(dǎo)指在室溫條件下出現(xiàn)的超導(dǎo)現(xiàn)象，當(dāng)溫度降到一定水平時，一些特殊的物質(zhì)會進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，此時電阻消失，電子在其中自由地運動，這個溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。

目前科研界的超導(dǎo)材料，要么是在高溫下、要么是在高壓下，而常溫常壓的超導(dǎo)材料還沒有被證實；就目前而言，科學(xué)界暫時沒有看到常溫常壓超導(dǎo)體落地實際商業(yè)化的進(jìn)展。

如果常溫超導(dǎo)真的可以實現(xiàn)，那么將極大的改變我們現(xiàn)狀，比如最淺顯的，起碼電力在傳輸過程中不會浪費絲毫，能夠極大的節(jié)約電力資源。而且常溫超導(dǎo)沒有電阻就不會產(chǎn)生焦耳熱，因此可以應(yīng)用于大規(guī)模集成電路，建設(shè)超導(dǎo)計算機；能夠承載較大電流而不會有電流損耗，可制作高壓輸電線、超導(dǎo)電機等。