物理中超導體是什麼效應

1. 超導現象的本質是什麼

人類通過液化氣體獲得了低溫，科學家會利用低溫做什麼呢？他們要做的事情很多，其中最重要的是繼續那個古老問題的探索，研究那些沒有生命的物質在低溫下會發生什麼變化。
1910年，昂尼斯開始和他的學生研究低溫條件下的物態變化。1911年，他們在研究水銀電阻與溫度變化的關系時發現，當溫度低於4K時已凝成固態的水銀電阻突然下降並趨於零，對此昂尼斯感到震驚。水銀的電阻會消失得無影無蹤，即使當時最富有想像力的科學家也沒料到低溫下會有這種現象。
為了進一步證實這一發現，他們用固態的水銀做成環路，並使磁鐵穿過環路使其中產生感應電流。在通常情況下，只要磁鐵停止運動由於電阻的存在環路中的電流會立即消失。但當水銀環路處於4K之下的低溫時，即使磁鐵停止了運動，感應電流卻仍然存在。這種奇特的現象能維持多久呢？他們堅持定期測量，經過一年的觀察他們得出結論，只要水銀環路的溫度低於4K，電流會長期存在，並且沒有強度變弱的任何跡象。
接著昂尼斯又對多種金屬、合金、化合物材料進行低溫下的實驗，發現它們中的許多都具有在低溫下電阻消失、感應電流長期存在的現象。由於在通常條件下導體都有電阻，昂尼斯就稱這種低溫下失去電阻的現象為超導。在取得一系列成功的實驗之後，昂尼斯立即正式公布這一發現，並且很快引起科學界的高度重視，昂尼斯也因此榮獲1913年諾貝爾物理學獎。

零電阻
將超導體冷卻到某一臨界溫度（TC）以下時電阻突然降為零的現象稱為超導體的零電阻現象。不同超導體的臨界溫度各不相同。例如，汞的臨界溫度為4.15K（K為絕對溫度，0K相當於零下273℃），而高溫超導體YBCO的臨界溫度為94K。

完全抗磁性
當超導體冷卻到臨界溫度以下而轉變為超導態後，只要周圍的外加磁場沒有強到破壞超導性的程度，超導體就會把穿透到體內的磁力線完全排斥出體外，在超導體內永遠保持磁感應強度為零。超導體的這種特殊性質被稱為"邁斯納效應"。
邁斯納效應與零電阻現象是超導體的兩個基本特性，它們既互相獨立，又密切聯系。
邁斯納和奧克森費爾特於1933年發現超導體具有完全抗磁性，即 "邁斯納"效應。邁斯納效應的發現使人們認識到超導體的行為並不是不可逆的。在此之後人們才比較全面地了解了超導體的基本性質。

超導態的臨界參數
■ 臨界溫度（TC）--超導體必須冷卻至某一臨界溫度以下才能保持其超導性。
■ 臨界電流密度（JC）--通過超導體的電流密度必須小於某一臨界電流密度才能保持超導體的超導性。
■ 臨界磁場（HC）--施加給超導體的磁場必須小於某一臨界磁場才能保持超導體的超導性。
■ 以上三個參數彼此關聯，其相互關系如右圖所示。

超導體的分類

目前已查明在常壓下具有超導電性的元素金屬有32種（如右圖元素周期表中青色方框所示），而在高壓下或製成薄膜狀時具有超導電性的元素金屬有14種（如右圖元素周期表中綠色方框所示）。

第I類超導體
第I類超導體主要包括一些在常溫下具有良好導電性的純金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、錫、銦等，該類超導體的溶點較低、質地較軟，亦被稱作"軟超導體"。其特徵是由正常態過渡到超導態時沒有中間態，並且具有完全抗磁性。第I類超導體由於其臨界電流密度和臨界磁場較低，因而沒有很好的實用價值。

第II類超導體
除金屬元素釩、鍀和鈮外，第II類超導體主要包括金屬化合物及其合金。第II類超導體和第I類超導體的區別主要在於：
■ 第II類超導體由正常態轉變為超導態時有一個中間態（混合態）；
■ 第II類超導體的混合態中有磁通線存在，而第I類超導體沒有；
■ 第II類超導體比第I類超導體有更高的臨界磁場、更大的臨界電流密度和更高的臨界溫度。
第II類超導體根據其是否具有磁通釘扎中心而分為理想第II類超導體和非理想第II類超導體。
理想第II類超導體的晶體結構比較完整，不存在磁通釘扎中心，並且當磁通線均勻排列時，在磁通線周圍的渦旋電流將彼此抵消，其體內無電流通過，從而不具有高臨界電流密度。非理想第II類超導體的晶體結構存在缺陷，並且存在磁通釘扎中心，其體內的磁通線排列不均勻，體內各處的渦旋電流不能完全抵消，出現體內電流，從而具有高臨界電流密度。在實際上，真正適合於實際應用的超導材料是非理想第II類超導體。

2. 物理···為什麼會發生超導現象

每個導體都有自己的電阻率，而電阻率是受溫度等的影響，當達到某個溫度時，導體的電阻率就會變為零，而電阻的表達式：R＝ρl/s,此時的電阻為零，也就是所謂的超導了

3. 超導體是有什麼作用和用途

超導體的應用可分為三類：強電應用、弱電應用和抗磁性應用。強電應用即大電流應用，包括超導發電、輸電和儲能；弱電應用即電子學應用，包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性應用主要包括磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。

超導磁體可用於製作交流超導發電機、磁流體發電機和超導輸電線路等。目前超導量子干涉儀（SQUID）已經產業化。

另外，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商業領域主要應用於醫學領域的MRI（核磁共振成像儀）。作為科學研究領域，已經應用於歐洲的大型項目LHC項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。

(3)物理中超導體是什麼效應擴展閱讀

人類最初發現超導體是在1911年，這一年荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人發現。

汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導狀態。此後超導體的研究日趨深入，一方面，多種具有實用潛力的超導材料被發現，另一方面，對超導機理的研究也有一定進展。

超導體具有三個基本特性：完全導電性（零電阻效應）、完全抗磁性（邁斯納效應）、通量量子化（約瑟夫森效應）。

4. 什麼是超導現象

超導現象
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麥士納效應中的超導體，可以獲得完全免費的浮力，因而具有極大工業潛力超導現象是指材料在低於某一溫度時，電阻變為零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（Tc）。超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性。

金屬導體的電阻會隨著溫度降低而逐漸減少。然而，對於普通導體如銅和銀，純度和其他缺陷也會影響其極限。即使接近絕對零度時，純樣的銅也仍然保有電阻值。 而超導體的電阻值，相反地，則是當材料低於其"臨界溫度"時，電阻會驟降為零，通常在絕對溫度 20 度或更低時。在超導體線材裡面的電流能夠不斷地持續而不需提供電能。如同磁性和原子譜線等現象，超導特性也是種量子效應。這種性質無法單純靠傳統物理學中理想化的「全導特性」來理解。

超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元素如錫和鋁，各種金屬合金和一些經過摻雜的半導體材料。超導現象不會發生在貴金屬像是金和銀，也不會發生在大部分的磁性金屬上。

在1986年發現的銅氧鈣鈦陶瓷材料等系列，即所謂的高溫超導體，具有臨界溫度超過90度K的特質，基於各種因素促使學界又再度燃起研究的興趣。對於純研究的領域而言，這些材質呈現一種現象是目前理論所無法解釋的。而且，因為這種超導狀態可在較容易達成的溫度下進行，尤其若能發現具備更高臨界溫度的材料時，則更能實現於業界應用。

目錄 [隱藏]
1 超導體的基本特性
2 超導體的分類
3 發現
4 完全抗磁性
5 原理
6 進一步的發現
7 參見

[編輯] 超導體的基本特性

Behavior of heat capacity (cv) and resistivity (ρ) at the superconcting phase transition超導現象是指材料在低於某一溫度時，電阻變為零（以目前觀測，即使有，也小至10-25歐姆·平方毫米/米以下）的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（ble）。超導現象的特徵是零電阻和完全抗磁性。

金屬導體的電阻會隨著溫度降低而逐漸減少。然而，對於普通導體如銅和銀，即使接近絕對零度時，仍然保有最低的電阻值，這是純度和其他缺陷的影響所致。另一方面，超導體的電阻值在低於其"臨界溫度"時，一般出現在絕對溫度 20 度或更低時會驟降為零。在超導體線材裡面的電流能夠不斷地持續而不需提供電能。如同磁性和原子能譜等現象，超導特性也是種量子效應。這種性質無法單純靠傳統物理學中理想化的「全導特性」來理解。

超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元素如錫和鋁，各種金屬合金和一些經過布塗的半導體材料。超導現象不會發生在貴金屬像是金和銀，也不會發生在大部分的磁性金屬上。

在1986年發現的銅氧鈣鈦陶瓷材料等系列，即所謂的高溫超導體，具有臨界溫度超過90度F的特質，基於各種因素促使學界又再度燃起研究的興趣。對於純研究的領域而言，這些材質呈現一種現象是目前理論所無法解釋的。而且，因為這種超導狀態可在較容易達成的溫度下進行，尤其若能發現具備更高臨界溫度的材料時，則更能實現於業界應用。

[編輯] 超導體的分類
超導體的分類沒有唯一的標准，最常用的分類如下：

由物理性質分類：可分成第一類超導體（若超導相變屬於一階相變）和第二類超導體（若超導相變屬於二階相變）。
由超導理論來分類：可分成傳統超導體（若超導機制可用BCS理論解釋）和非傳統超導體（若超導機制不能用BCS理論解釋）。
由超導相變溫度來分類：可分成高溫超導體（若可用液態氮冷卻就形成超導體）和低溫超導體（若需要其他技術來冷卻）。
由材料來分類：它們可以是化學元素（如汞和鉛）、合金（如鈮鈦合金和鈮鍺合金）、陶瓷（如釔鋇銅氧和二硼化鎂）或有機超導體（如富勒烯和碳納米管，這可能都包括在化學元素之內，因為它們是由碳組成）。

[編輯] 發現
1911年春，荷蘭物理學家昂尼斯(H. Kamerlingh Onnes)在用液氦將汞的溫度降到時，發現汞的電阻降為零。他把這種現象稱為導性。後來昂尼斯和其他科學家陸續發現其他一些金屬也是超導體。昂內斯因為這項重大發現而獲得1913年的諾貝爾物理學獎。

[編輯] 完全抗磁性
1933年，德國物理學家邁斯納（Walther Meissner）發現了超導體的完全抗磁性，即當超導體處於超導狀態時，超導體內部磁場為零，對磁場完全排斥，即邁斯納效應。但當外部磁場大於臨界值時，超導性被破壞。

[編輯] 原理
1957年，美國物理學家約翰·巴丁、庫珀（Leon Cooper）、施里弗（Robert Schrieffer）提出了以他們名字首字母命名的BCS理論，用於解釋超導現象的微觀機理。BCS理論認為：晶格的振動，稱為聲子(Phonon)，使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零的庫珀對，稱為電聲子交互作用，所以根據量子力學中物質波的理論，庫珀對的波長很長以至於其可以繞過晶格缺陷雜質流動從而無阻礙地形成電流。巴丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學獎。 不過，BCS理論並無法成功的解釋所謂第二類超導，或高溫超導的現象。

[編輯] 進一步的發現
1952年，科學家發現了合金超導體硅化釩。1986年1月，德國科學家約翰內斯·格奧爾格·貝德諾爾茨和瑞士科學家卡爾·亞歷山大·米勒發現陶瓷性金屬氧化物可以作為超導體，從而獲得了1987年諾貝爾物理學獎。1987年，美國華裔科學家朱經武與台灣物理學家吳茂昆以及中國科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的「溫度壁壘」（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K。從1986年－1987年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近100K。大約1993年，鉈－汞－銅－鋇－鈣－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到138K。

5. 【物理】關於超導體

超導體最重要的特點是電流通過時電阻為零，有一些類型的金屬（特別是鈦、釩、鉻、鐵、鎳），當將其置於特別低的溫度下時，電流通過時的電阻就為零。在普通的導體中，大部分通過導體的電流由於電阻的原因變為熱能，因而被「消耗」掉了。在超導體中，實際上沒有阻力，這樣，一旦接通電流，從理論上講就永遠不會中斷。在一個用超導體製成的電磁體（一個線圈，電流從中通過時產生電磁場）所構成的電路中，從理論上講只送入一次電流，就可以在電路內不停的流動，從而就能使電磁場持續不斷。當然，實際上是存在損耗的，不可能實現這類「永動」，不能不去考慮必需的能源投入，以使超導體能保持其產生零電阻現象所需要的底溫狀態（即-269℃，比絕對零度高出4℃）。

然而，從80年代初開始，人們發現了新材料。這種新材料能夠在越來越接近常溫的條件下形成超導體。為在這些物質的基礎上獲得超導體，各國都正在進行各種研究。這種材料同傳統材料的區別在於它不需要冷卻系統。

超導現象是1911年由荷蘭人海克·卡默林·翁內斯（1853－1926）發現的。幾十年中，沒有人能做出解釋。在理論上讓人信服的解釋出現在半個世紀之後，即在1957年由物理學家約翰·巴丁（晶體管發明者之一）、利昂·庫珀和約翰施里弗宣布的「BCS理論」。電流是一種在金屬離子，亦即帶有多出的正電荷的原子周圍流動的自由電子，電阻的產生是因為離子阻礙了電子的流動，而阻礙的原因又是由於原子本身的熱振動以及它們在空間位置的不確定所造成的。

在超導體中，電子一對一對結合構成了所謂的「庫珀對」，它們中的每一對都以單個粒子的形式存在。這些粒子抱成一團流動，不顧及金屬離子的阻力，好像是液體一樣在流動。這樣，事實上就中和了任何潛在的阻力因素。

在普通導體中會發生什麼情況

上邊這幅圖使電傳導觀念形象化了，電傳導就如同球體（電子）運動一樣。它在斜面上流動（斜面相當於一個導體）障礙物代表金屬離子不規則的網狀結構，它們不允許電子自由流動。這就是形成電阻的原因。電子與全屬離子相撞，輸出了它的部分能量，這些能量又轉化為熱量。

超導體會發生什麼變化

超導體中電子兩個兩個地成組聚集在所謂的「庫珀對」裡面，它們又表現為單一的粒子，這同煤氣分子能夠聚集成液體狀是同樣的道理。超導電子作為整體以液體的形態表現出來，盡管存在著由於金屬離子擺動和金屬離子網的不規則帶來的阻礙，它還是能夠自由流動而不受影響。
超導體

超導體，氣體液化問題是19世紀物理學的熱點之一。1911年昂內斯發現：汞的電阻在42K左右的低溫度時急劇下降，以致完全消失(即零電阻）。1913年他在一篇論文中首次以「超導電性」一詞來表達這一現象。由於「對低溫下物質性質的研究，並使氦氣液化」方面的成就，昂內斯獲1913年諾貝爾物理學獎。
直到50年後，人們才獲得了突破性的進展，「BCS"理論的提出標志著超導電性理論現代階段的開始「BCS"理論是由美國物理學家巴丁、庫珀和施里弗於1957年首先提出的，並以三位科學家姓名第一個大寫字母命名這一理論。這一理論的核心是計算出超導體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態，即存在「電子對」。
1962年英國劍橋大學研究生約瑟夫森根據「BCS」理論預言，在薄絕緣層隔開的兩種超導材料之間有電流通過，即「電子對」能穿過薄絕緣層（隧道效應）；同時還產生一些特殊的現象，如電流通過簿絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產生高頻振盪。這一超導物理現象稱為「約瑟夫森效應」。這一效應在美國的貝爾實驗室得到證實。「約瑟夫森效應」有力的支持了「BCS理論」。因此，巴丁、庫怕、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎。
德國物理學家柏諾茲和瑞士物理學家繆勒從1983年開始集中力量研究稀土元素氧化物的超導電性。1986年他們終於發現了一種氧化物材料，其超導轉變溫度比以往的超導材料高出12度。這一發現導致了超導研究的重大突破，美國、中國、日本等國的科學家紛紛投入研究，很快就發現了在液氮溫區（－196C以下)獲得超導電性的陶瓷材料，此後不斷發現高臨界溫度的超導材料。這就為超導的應用提供了條件。帕諾茲和繆勒也因此獲1987年諾貝爾物理獎。

超導體處於主導地位

柯寶泰

超導體最重要的特點是電流通過時電阻為零，有一些類型的金屬（特別是鈦、釩、鉻、鐵、鎳），當將其置於特別低的溫度下時，電流通過時的電阻就為零。在普通的導體中，大部分通過導體的電流由於電阻的原因變為熱能，因而被「消耗」掉了。在超導體中，實際上沒有阻力，這樣，一旦接通電流，從理論上講就永遠不會中斷。在一個用超導體製成的電磁體（一個線圈，電流從中通過時產生電磁場）所構成的電路中，從理論上講只送入一次電流，就可以在電路內不停的流動，從而就能使電磁場持續不斷。當然，實際上是存在損耗的，不可能實現這類「永動」，不能不去考慮必需的能源投入，以使超導體能保持其產生零電阻現象所需要的底溫狀態（即-269℃，比絕對零度高出4℃）。

然而，從80年代初開始，人們發現了新材料。這種新材料能夠在越來越接近常溫的條件下形成超導體。為在這些物質的基礎上獲得超導體，各國都正在進行各種研究。這種材料同傳統材料的區別在於它不需要冷卻系統。

超導現象是1911年由荷蘭人海克·卡默林·翁內斯（1853－1926）發現的。幾十年中，沒有人能做出解釋。在理論上讓人信服的解釋出現在半個世紀之後，即在1957年由物理學家約翰·巴丁（晶體管發明者之一）、利昂·庫珀和約翰施里弗宣布的「BCS理論」。電流是一種在金屬離子，亦即帶有多出的正電荷的原子周圍流動的自由電子，電阻的產生是因為離子阻礙了電子的流動，而阻礙的原因又是由於原子本身的熱振動以及它們在空間位置的不確定所造成的。

在超導體中，電子一對一對結合構成了所謂的「庫珀對」，它們中的每一對都以單個粒子的形式存在。這些粒子抱成一團流動，不顧及金屬離子的阻力，好像是液體一樣在流動。這樣，事實上就中和了任何潛在的阻力因素。

在普通導體中會發生什麼情況

上邊這幅圖使電傳導觀念形象化了，電傳導就如同球體（電子）運動一樣。它在斜面上流動（斜面相當於一個導體）障礙物代表金屬離子不規則的網狀結構，它們不允許電子自由流動。這就是形成電阻的原因。電子與全屬離子相撞，輸出了它的部分能量，這些能量又轉化為熱量。

超導體會發生什麼變化

超導體中電子兩個兩個地成組聚集在所謂的「庫珀對」裡面，它們又表現為單一的粒子，這同煤氣分子能夠聚集成液體狀是同樣的道理。超導電子作為整體以液體的形態表現出來，盡管存在著由於金屬離子擺動和金屬離子網的不規則帶來的阻礙，它還是能夠自由流動而不受影響。

人們早已知道，隨著溫度的降低，金屬的電阻會減小，但是並不知道在溫度接近絕對零度時，電阻會降低到什麼程度。為了弄清這個問題，荷蘭物理學家昂尼斯（1853～1926）開始對極低溫度下金屬電阻的研究。1911 年，他在測量低溫下水銀的電阻時發現，水銀的電阻並不像人們預想的那樣隨著溫度的降低連續地減小，而是當溫度降到—269℃左右時突然完全消失。以後還發現一些金屬或合金，當溫度降到某一溫度時，電阻也會變為零。這種現象叫做超導現象，能夠發生超導現象的物質叫做超導體。物質的電阻變為零時的溫度叫做這種物質的超導轉變溫度或超導臨界溫度，用TC 表示。物質低於TC 時具有超導性，高於TC 時失去超導性。

超導體的發現，在科學技術上有很大的意義。例如，由於現代生產的發展，對電能的需要迅速增長，有人統計，幾乎每隔10 年對電能的需要就會增長一倍。但輸電線有電阻，由於電流的熱效應，使損失在輸送電路上的電能大約超過。如果我們能夠找到常溫下的超導材料，就可以在發電、送電、電動機等方面大規模地利用超導性能，它將在現代技術的一切領域內引起一場巨大的變革。所以常溫超導體的研究，是目前的一個重要課題，即使得不到常溫超導體，能尋找到轉變溫度較高的超導體亦有重大意義。在這方面，我國的研究工作走在世界前列，1989 年已找到TC 達—141℃的超導材料，這是在高臨界溫度超導體研究方面取得的重大突破。

6. 科學家在超導體方面發現了哪些效應

1933年，德國物理學家邁斯納等人又發現，超導材料的溫度低於臨界溫度而進入超導態之後，其體內的磁感應強度總是零。這種現象因它的發現者而得名「邁斯納效應」。1962年英國劍橋大學研究生約瑟夫森提出，夾有薄絕緣層的兩塊超導體之間，即使不加電壓也可通過一定數值的直流隧道電流。這一現象稱為「約瑟夫森效應」。他因這一發現獲得1973年度諾貝爾物理獎。

7. 什麼是超導現象

超導現象就是1911年，荷蘭萊頓大學的H·卡茂林·昂內斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失。

後來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由於它的特殊導電性能，H·卡茂林·昂內斯稱之為超導態。昂內斯由於他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

人們把處於超導狀態的導體稱之為「超導體」。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。

(7)物理中超導體是什麼效應擴展閱讀：

超導狀態的導體稱之為「超導體」。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻
效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強
大的電流，從而產生超強磁場。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質——當金屬處在超
導狀態時，超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在於體內的磁場排擠出去。

對單晶錫球進行實
驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體
之外去了，人們將這種現象稱之為「邁斯納效應」邁斯納效應於1933年被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導錫及鉛樣品外的磁場時發現。

在有磁場的情況下，樣品被冷卻至它們的超導相變溫度以下。在相變溫度以下時，樣品幾乎抵消掉所有裡面的磁場。

他們只是間接地探測到這個效應；因為超導體的磁通量守恆，當裡面的場減少時，外面的場就會增加。這實驗最早證明超導體不只是完美的導電體，並為超導態提供一個獨特的定義性質。