超导 超导材料

时间:2021-07-31 04:58:10 作者:admin 67285
超导 超导材料

超导体真的没有电阻吗?

超导体(英文名:superconductor),又称为超导材料,指在某一温度下,电阻为零的导体。在实验中,若导体电阻的测量值低于10-25Ω,可以认为电阻为零。
超导体不仅具有零电阻的特性,另一个重要特征是完全抗磁性。
人类最初发现超导体是在1911年,这一年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)等人发现,汞在极低的温度下,其电阻消失,呈超导状态。此后超导体的研究日趋深入,一方面,多种具有实用潜力的超导材料被发现,另一方面,对超导机理的研究也有一定进展。
目前,超导体已经进行了一系列试验性应用,并且开展了一定的军事、商业应用,在通信领域可以作为光子晶体的缺陷材料。
超导体具有三个基本特性:完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。
完全导电性
完全电导性又称零电阻效应,指温度降低至某一温度以下,电阻突然消失的现象。
完全电导性适用于直流电,超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下,会出现交流损耗,且频率越高,损耗越大。[1] 交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题,在宏观上,交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起;在微观上,交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起 。交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数,如果交流损耗能够降低,则可以降低超导装置的制冷费用,提高运行的稳定性。[3]
完全抗磁性
迈斯纳效应(2张)
完全抗磁性又称迈斯纳效应,“抗磁性”指在磁场强度低于临界值的情况下,磁力线无法穿过超导体,超导体内部磁场为零的现象,“完全”指降低温度达到超导态、施加磁场两项操作的顺序可以颠倒。完全抗磁性的原因是,超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流,这一电流产生的磁场,抵消了超导体内部的磁场。
超导体电阻为零的特性为人们所熟知,但超导体并不等同于理想导体。从电磁理论出发,可以推导出如下结论:若先将理想导体冷却至低温,再置于磁场中,理想导体内部磁场为零;但若先将理想导体置于磁场中,再冷却至低温,理想导体内部磁场不为零。对于超导体而言,降低温度达到超导态、施加磁场这两种操作,无论其顺序如何,超导体超导体内部磁场始终为零,这是完全抗磁性的核心,也是超导体区别于理想导体的关键。[4]
通量量子化
通量量子化又称约瑟夫森效应,指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时,电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象,即在超导体(superconductor)—绝缘体(insulator)—超导体(superconductor)结构可以产生超导电流。
约瑟夫森效应
约瑟夫森效应分为直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。直流约瑟夫森效应指电子对可以通过绝缘层形成超导电流。交流约瑟夫森效应指当外加直流电压达到一定程度时,除存在直流超导电流外,还存在交流电流,将超导体放在磁场中,磁场透入绝缘层,超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。

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