物理中超导体是什么效应

1. 超导现象的本质是什么

人类通过液化气体获得了低温，科学家会利用低温做什么呢？他们要做的事情很多，其中最重要的是继续那个古老问题的探索，研究那些没有生命的物质在低温下会发生什么变化。
1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝成固态的水银电阻突然下降并趋于零，对此昂尼斯感到震惊。水银的电阻会消失得无影无踪，即使当时最富有想象力的科学家也没料到低温下会有这种现象。
为了进一步证实这一发现，他们用固态的水银做成环路，并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。在通常情况下，只要磁铁停止运动由于电阻的存在环路中的电流会立即消失。但当水银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运动，感应电流却仍然存在。这种奇特的现象能维持多久呢？他们坚持定期测量，经过一年的观察他们得出结论，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存在，并且没有强度变弱的任何迹象。
接着昂尼斯又对多种金属、合金、化合物材料进行低温下的实验，发现它们中的许多都具有在低温下电阻消失、感应电流长期存在的现象。由于在通常条件下导体都有电阻，昂尼斯就称这种低温下失去电阻的现象为超导。在取得一系列成功的实验之后，昂尼斯立即正式公布这一发现，并且很快引起科学界的高度重视，昂尼斯也因此荣获1913年诺贝尔物理学奖。

零电阻
将超导体冷却到某一临界温度（TC）以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。例如，汞的临界温度为4.15K（K为绝对温度，0K相当于零下273℃），而高温超导体YBCO的临界温度为94K。

完全抗磁性
当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。超导体的这种特殊性质被称为"迈斯纳效应"。
迈斯纳效应与零电阻现象是超导体的两个基本特性，它们既互相独立，又密切联系。
迈斯纳和奥克森费尔特于1933年发现超导体具有完全抗磁性，即 "迈斯纳"效应。迈斯纳效应的发现使人们认识到超导体的行为并不是不可逆的。在此之后人们才比较全面地了解了超导体的基本性质。

超导态的临界参数
■ 临界温度（TC）--超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。
■ 临界电流密度（JC）--通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。
■ 临界磁场（HC）--施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。
■ 以上三个参数彼此关联，其相互关系如右图所示。

超导体的分类

目前已查明在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。

第I类超导体
第I类超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、锡、铟等，该类超导体的溶点较低、质地较软，亦被称作"软超导体"。其特征是由正常态过渡到超导态时没有中间态，并且具有完全抗磁性。第I类超导体由于其临界电流密度和临界磁场较低，因而没有很好的实用价值。

第II类超导体
除金属元素钒、锝和铌外，第II类超导体主要包括金属化合物及其合金。第II类超导体和第I类超导体的区别主要在于：
■ 第II类超导体由正常态转变为超导态时有一个中间态（混合态）；
■ 第II类超导体的混合态中有磁通线存在，而第I类超导体没有；
■ 第II类超导体比第I类超导体有更高的临界磁场、更大的临界电流密度和更高的临界温度。
第II类超导体根据其是否具有磁通钉扎中心而分为理想第II类超导体和非理想第II类超导体。
理想第II类超导体的晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有高临界电流密度。非理想第II类超导体的晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心，其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临界电流密度。在实际上，真正适合于实际应用的超导材料是非理想第II类超导体。

2. 物理···为什么会发生超导现象

每个导体都有自己的电阻率，而电阻率是受温度等的影响，当达到某个温度时，导体的电阻率就会变为零，而电阻的表达式：R＝ρl/s,此时的电阻为零，也就是所谓的超导了

3. 超导体是有什么作用和用途

超导体的应用可分为三类：强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用即大电流应用，包括超导发电、输电和储能；弱电应用即电子学应用，包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用主要包括磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。目前超导量子干涉仪（SQUID）已经产业化。

另外，作为低温超导材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，在商业领域主要应用于医学领域的MRI（核磁共振成像仪）。作为科学研究领域，已经应用于欧洲的大型项目LHC项目，帮助人类寻求宇宙的起源等科学问题。

(3)物理中超导体是什么效应扩展阅读

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。

超导体具有三个基本特性：完全导电性（零电阻效应）、完全抗磁性（迈斯纳效应）、通量量子化（约瑟夫森效应）。

4. 什么是超导现象

超导现象
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麦士纳效应中的超导体，可以获得完全免费的浮力，因而具有极大工业潜力超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度（Tc）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

金属导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少。然而，对于普通导体如铜和银，纯度和其他缺陷也会影响其极限。即使接近绝对零度时，纯样的铜也仍然保有电阻值。 而超导体的电阻值，相反地，则是当材料低于其"临界温度"时，电阻会骤降为零，通常在绝对温度 20 度或更低时。在超导体线材里面的电流能够不断地持续而不需提供电能。如同磁性和原子谱线等现象，超导特性也是种量子效应。这种性质无法单纯靠传统物理学中理想化的“全导特性”来理解。

超导现象可在各种不同的材料上发生，包括单纯的元素如锡和铝，各种金属合金和一些经过掺杂的半导体材料。超导现象不会发生在贵金属像是金和银，也不会发生在大部分的磁性金属上。

在1986年发现的铜氧钙钛陶瓷材料等系列，即所谓的高温超导体，具有临界温度超过90度K的特质，基于各种因素促使学界又再度燃起研究的兴趣。对于纯研究的领域而言，这些材质呈现一种现象是目前理论所无法解释的。而且，因为这种超导状态可在较容易达成的温度下进行，尤其若能发现具备更高临界温度的材料时，则更能实现于业界应用。

目录 [隐藏]
1 超导体的基本特性
2 超导体的分类
3 发现
4 完全抗磁性
5 原理
6 进一步的发现
7 参见

[编辑] 超导体的基本特性

Behavior of heat capacity (cv) and resistivity (ρ) at the superconcting phase transition超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零（以目前观测，即使有，也小至10-25欧姆·平方毫米/米以下）的现象，而这一温度称为超导转变温度（ble）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

金属导体的电阻会随着温度降低而逐渐减少。然而，对于普通导体如铜和银，即使接近绝对零度时，仍然保有最低的电阻值，这是纯度和其他缺陷的影响所致。另一方面，超导体的电阻值在低于其"临界温度"时，一般出现在绝对温度 20 度或更低时会骤降为零。在超导体线材里面的电流能够不断地持续而不需提供电能。如同磁性和原子能谱等现象，超导特性也是种量子效应。这种性质无法单纯靠传统物理学中理想化的“全导特性”来理解。

超导现象可在各种不同的材料上发生，包括单纯的元素如锡和铝，各种金属合金和一些经过布涂的半导体材料。超导现象不会发生在贵金属像是金和银，也不会发生在大部分的磁性金属上。

在1986年发现的铜氧钙钛陶瓷材料等系列，即所谓的高温超导体，具有临界温度超过90度F的特质，基于各种因素促使学界又再度燃起研究的兴趣。对于纯研究的领域而言，这些材质呈现一种现象是目前理论所无法解释的。而且，因为这种超导状态可在较容易达成的温度下进行，尤其若能发现具备更高临界温度的材料时，则更能实现于业界应用。

[编辑] 超导体的分类
超导体的分类没有唯一的标准，最常用的分类如下：

由物理性质分类：可分成第一类超导体（若超导相变属于一阶相变）和第二类超导体（若超导相变属于二阶相变）。
由超导理论来分类：可分成传统超导体（若超导机制可用BCS理论解释）和非传统超导体（若超导机制不能用BCS理论解释）。
由超导相变温度来分类：可分成高温超导体（若可用液态氮冷却就形成超导体）和低温超导体（若需要其他技术来冷却）。
由材料来分类：它们可以是化学元素（如汞和铅）、合金（如铌钛合金和铌锗合金）、陶瓷（如钇钡铜氧和二硼化镁）或有机超导体（如富勒烯和碳纳米管，这可能都包括在化学元素之内，因为它们是由碳组成）。

[编辑] 发现
1911年春，荷兰物理学家昂尼斯(H. Kamerlingh Onnes)在用液氦将汞的温度降到时，发现汞的电阻降为零。他把这种现象称为导性。后来昂尼斯和其他科学家陆续发现其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。

[编辑] 完全抗磁性
1933年，德国物理学家迈斯纳（Walther Meissner）发现了超导体的完全抗磁性，即当超导体处于超导状态时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，即迈斯纳效应。但当外部磁场大于临界值时，超导性被破坏。

[编辑] 原理
1957年，美国物理学家约翰·巴丁、库珀（Leon Cooper）、施里弗（Robert Schrieffer）提出了以他们名字首字母命名的BCS理论，用于解释超导现象的微观机理。BCS理论认为：晶格的振动，称为声子(Phonon)，使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零的库珀对，称为电声子交互作用，所以根据量子力学中物质波的理论，库珀对的波长很长以至于其可以绕过晶格缺陷杂质流动从而无阻碍地形成电流。巴丁、库珀、施里弗因此获得1972年的诺贝尔物理学奖。 不过，BCS理论并无法成功的解释所谓第二类超导，或高温超导的现象。

[编辑] 进一步的发现
1952年，科学家发现了合金超导体硅化钒。1986年1月，德国科学家约翰内斯·格奥尔格·贝德诺尔茨和瑞士科学家卡尔·亚历山大·米勒发现陶瓷性金属氧化物可以作为超导体，从而获得了1987年诺贝尔物理学奖。1987年，美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及中国科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986年－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。大约1993年，铊－汞－铜－钡－钙－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。

5. 【物理】关于超导体

超导体最重要的特点是电流通过时电阻为零，有一些类型的金属（特别是钛、钒、铬、铁、镍），当将其置于特别低的温度下时，电流通过时的电阻就为零。在普通的导体中，大部分通过导体的电流由于电阻的原因变为热能，因而被“消耗”掉了。在超导体中，实际上没有阻力，这样，一旦接通电流，从理论上讲就永远不会中断。在一个用超导体制成的电磁体（一个线圈，电流从中通过时产生电磁场）所构成的电路中，从理论上讲只送入一次电流，就可以在电路内不停的流动，从而就能使电磁场持续不断。当然，实际上是存在损耗的，不可能实现这类“永动”，不能不去考虑必需的能源投入，以使超导体能保持其产生零电阻现象所需要的底温状态（即-269℃，比绝对零度高出4℃）。

然而，从80年代初开始，人们发现了新材料。这种新材料能够在越来越接近常温的条件下形成超导体。为在这些物质的基础上获得超导体，各国都正在进行各种研究。这种材料同传统材料的区别在于它不需要冷却系统。

超导现象是1911年由荷兰人海克·卡默林·翁内斯（1853－1926）发现的。几十年中，没有人能做出解释。在理论上让人信服的解释出现在半个世纪之后，即在1957年由物理学家约翰·巴丁（晶体管发明者之一）、利昂·库珀和约翰施里弗宣布的“BCS理论”。电流是一种在金属离子，亦即带有多出的正电荷的原子周围流动的自由电子，电阻的产生是因为离子阻碍了电子的流动，而阻碍的原因又是由于原子本身的热振动以及它们在空间位置的不确定所造成的。

在超导体中，电子一对一对结合构成了所谓的“库珀对”，它们中的每一对都以单个粒子的形式存在。这些粒子抱成一团流动，不顾及金属离子的阻力，好像是液体一样在流动。这样，事实上就中和了任何潜在的阻力因素。

在普通导体中会发生什么情况

上边这幅图使电传导观念形象化了，电传导就如同球体（电子）运动一样。它在斜面上流动（斜面相当于一个导体）障碍物代表金属离子不规则的网状结构，它们不允许电子自由流动。这就是形成电阻的原因。电子与全属离子相撞，输出了它的部分能量，这些能量又转化为热量。

超导体会发生什么变化

超导体中电子两个两个地成组聚集在所谓的“库珀对”里面，它们又表现为单一的粒子，这同煤气分子能够聚集成液体状是同样的道理。超导电子作为整体以液体的形态表现出来，尽管存在着由于金属离子摆动和金属离子网的不规则带来的阻碍，它还是能够自由流动而不受影响。
超导体

超导体，气体液化问题是19世纪物理学的热点之一。1911年昂内斯发现：汞的电阻在42K左右的低温度时急剧下降，以致完全消失(即零电阻）。1913年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象。由于“对低温下物质性质的研究，并使氦气液化”方面的成就，昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖。
直到50年后，人们才获得了突破性的进展，“BCS"理论的提出标志着超导电性理论现代阶段的开始“BCS"理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论。这一理论的核心是计算出超导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”。
1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫森根据“BCS”理论预言，在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象，如电流通过簿绝缘层无需加电压，倘若加电压，电流反而停止而产生高频振荡。这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”。这一效应在美国的贝尔实验室得到证实。“约瑟夫森效应”有力的支持了“BCS理论”。因此，巴丁、库怕、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖。约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖。
德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始集中力量研究稀土元素氧化物的超导电性。1986年他们终于发现了一种氧化物材料，其超导转变温度比以往的超导材料高出12度。这一发现导致了超导研究的重大突破，美国、中国、日本等国的科学家纷纷投入研究，很快就发现了在液氮温区（－196C以下)获得超导电性的陶瓷材料，此后不断发现高临界温度的超导材料。这就为超导的应用提供了条件。帕诺兹和缪勒也因此获1987年诺贝尔物理奖。

超导体处于主导地位

柯宝泰

超导体最重要的特点是电流通过时电阻为零，有一些类型的金属（特别是钛、钒、铬、铁、镍），当将其置于特别低的温度下时，电流通过时的电阻就为零。在普通的导体中，大部分通过导体的电流由于电阻的原因变为热能，因而被“消耗”掉了。在超导体中，实际上没有阻力，这样，一旦接通电流，从理论上讲就永远不会中断。在一个用超导体制成的电磁体（一个线圈，电流从中通过时产生电磁场）所构成的电路中，从理论上讲只送入一次电流，就可以在电路内不停的流动，从而就能使电磁场持续不断。当然，实际上是存在损耗的，不可能实现这类“永动”，不能不去考虑必需的能源投入，以使超导体能保持其产生零电阻现象所需要的底温状态（即-269℃，比绝对零度高出4℃）。

然而，从80年代初开始，人们发现了新材料。这种新材料能够在越来越接近常温的条件下形成超导体。为在这些物质的基础上获得超导体，各国都正在进行各种研究。这种材料同传统材料的区别在于它不需要冷却系统。

超导现象是1911年由荷兰人海克·卡默林·翁内斯（1853－1926）发现的。几十年中，没有人能做出解释。在理论上让人信服的解释出现在半个世纪之后，即在1957年由物理学家约翰·巴丁（晶体管发明者之一）、利昂·库珀和约翰施里弗宣布的“BCS理论”。电流是一种在金属离子，亦即带有多出的正电荷的原子周围流动的自由电子，电阻的产生是因为离子阻碍了电子的流动，而阻碍的原因又是由于原子本身的热振动以及它们在空间位置的不确定所造成的。

在超导体中，电子一对一对结合构成了所谓的“库珀对”，它们中的每一对都以单个粒子的形式存在。这些粒子抱成一团流动，不顾及金属离子的阻力，好像是液体一样在流动。这样，事实上就中和了任何潜在的阻力因素。

在普通导体中会发生什么情况

上边这幅图使电传导观念形象化了，电传导就如同球体（电子）运动一样。它在斜面上流动（斜面相当于一个导体）障碍物代表金属离子不规则的网状结构，它们不允许电子自由流动。这就是形成电阻的原因。电子与全属离子相撞，输出了它的部分能量，这些能量又转化为热量。

超导体会发生什么变化

超导体中电子两个两个地成组聚集在所谓的“库珀对”里面，它们又表现为单一的粒子，这同煤气分子能够聚集成液体状是同样的道理。超导电子作为整体以液体的形态表现出来，尽管存在着由于金属离子摆动和金属离子网的不规则带来的阻碍，它还是能够自由流动而不受影响。

人们早已知道，随着温度的降低，金属的电阻会减小，但是并不知道在温度接近绝对零度时，电阻会降低到什么程度。为了弄清这个问题，荷兰物理学家昂尼斯（1853～1926）开始对极低温度下金属电阻的研究。1911 年，他在测量低温下水银的电阻时发现，水银的电阻并不像人们预想的那样随着温度的降低连续地减小，而是当温度降到—269℃左右时突然完全消失。以后还发现一些金属或合金，当温度降到某一温度时，电阻也会变为零。这种现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。物质的电阻变为零时的温度叫做这种物质的超导转变温度或超导临界温度，用TC 表示。物质低于TC 时具有超导性，高于TC 时失去超导性。

超导体的发现，在科学技术上有很大的意义。例如，由于现代生产的发展，对电能的需要迅速增长，有人统计，几乎每隔10 年对电能的需要就会增长一倍。但输电线有电阻，由于电流的热效应，使损失在输送电路上的电能大约超过。如果我们能够找到常温下的超导材料，就可以在发电、送电、电动机等方面大规模地利用超导性能，它将在现代技术的一切领域内引起一场巨大的变革。所以常温超导体的研究，是目前的一个重要课题，即使得不到常温超导体，能寻找到转变温度较高的超导体亦有重大意义。在这方面，我国的研究工作走在世界前列，1989 年已找到TC 达—141℃的超导材料，这是在高临界温度超导体研究方面取得的重大突破。

6. 科学家在超导体方面发现了哪些效应

1933年，德国物理学家迈斯纳等人又发现，超导材料的温度低于临界温度而进入超导态之后，其体内的磁感应强度总是零。这种现象因它的发现者而得名“迈斯纳效应”。1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫森提出，夹有薄绝缘层的两块超导体之间，即使不加电压也可通过一定数值的直流隧道电流。这一现象称为“约瑟夫森效应”。他因这一发现获得1973年度诺贝尔物理奖。

7. 什么是超导现象

超导现象就是1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失。

后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

(7)物理中超导体是什么效应扩展阅读：

超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻
效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强
大的电流，从而产生超强磁场。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超
导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。

对单晶锡球进行实
验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体
之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”迈斯纳效应于1933年被瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现。

在有磁场的情况下，样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时，样品几乎抵消掉所有里面的磁场。

他们只是间接地探测到这个效应；因为超导体的磁通量守恒，当里面的场减少时，外面的场就会增加。这实验最早证明超导体不只是完美的导电体，并为超导态提供一个独特的定义性质。