超導體的基本物理特性
超導體的基本物理特性
超導體，又稱為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。那么關于超導體，它的基本物理特性有哪些?在下面學習啦小編給你分享超導體的基本物理特性，歡迎閱讀。
超導體的基本物理特性：完全導電性
完全電導性又稱零電阻效應，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現(xiàn)象。
完全電導性適用于直流電，超導體在處于交變電流或交變磁場的情況下，會出現(xiàn)交流損耗，且頻率越高，損耗越大。[1] 交流損耗是超導體實際應用中需要解決的一個重要問題，在宏觀上，交流損耗由超導材料內(nèi)部產(chǎn)生的感應電場與感生電流密度不同引起;在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運動引起 。交流損耗是表征超導材料性能的一個重要參數(shù)，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導裝置的制冷費用，提高運行的穩(wěn)定性。
超導體的基本物理特性：完全抗磁性
完全抗磁性又稱邁斯納效應，“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體，超導體內(nèi)部磁場為零的現(xiàn)象，“完全”指降低溫度達到超導態(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，超導體表面能夠產(chǎn)生一個無損耗的抗磁超導電流，這一電流產(chǎn)生的磁場，抵消了超導體內(nèi)部的磁場。
超導體電阻為零的特性為人們所熟知，但超導體并不等同于理想導體。從電磁理論出發(fā)，可以推導出如下結論：若先將理想導體冷卻至低溫，再置于磁場中，理想導體內(nèi)部磁場為零;但若先將理想導體置于磁場中，再冷卻至低溫，理想導體內(nèi)部磁場不為零。對于超導體而言，降低溫度達到超導態(tài)、施加磁場這兩種操作，無論其順序如何，超導體超導體內(nèi)部磁場始終為零，這是完全抗磁性的核心，也是超導體區(qū)別于理想導體的關鍵。
超導體的基本物理特性：通量量子化
通量量子化又稱約瑟夫森效應，指當兩層超導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，即在超導體(superconductor)—絕緣體(insulator)—超導體(superconductor)結構可以產(chǎn)生超導電流。
約瑟夫森效應分為直流約瑟夫森效應和交流約瑟夫森效應。直流約瑟夫森效應指電子對可以通過絕緣層形成超導電流。交流約瑟夫森效應指當外加直流電壓達到一定程度時，除存在直流超導電流外，還存在交流電流，將超導體放在磁場中，磁場透入絕緣層，超導結的最大超導電流隨外磁場大小作有規(guī)律的變化。
超導體的背景
超導體的發(fā)現(xiàn)與低溫研究密不可分。在18世紀，由于低溫技術的限制，人們認為存在不能被液化的“永久氣體”，如氫氣、氦氣等。1898年，英國物理學家杜瓦制得液氫。1908年，荷蘭萊頓大學萊頓低溫實驗室的卡末林·昂內(nèi)斯教授成功將最后一種“永久氣體”——氦氣液化，并通過降低液氦蒸汽壓的方法，獲得1.15~4.25K的低溫。[2] 低溫研究的突破，為超導體的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎。
在19世紀末20世紀初，對金屬的電阻在絕對零度附近的變化情況，有不同的說法。一種觀點認為純金屬的電阻應隨溫度的降低而降低，并在絕對零度時消失。另一種觀點，以威廉·湯姆遜(開爾文男爵)為代表，認為隨著溫度的降低，金屬的電阻在達到一極小值后，會由于電子凝聚到金屬原子上而變?yōu)闊o限大。
1911年2月，掌握了液氦和低溫技術的卡末林·昂尼斯發(fā)現(xiàn)，在4.3K以下，鉑的電阻保持為一常數(shù)，而不是通過一極小值后再增大。因此卡末林·昂尼斯認為純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，卡末林·昂尼斯選擇了更容易提純的汞作為實驗對象。首先，卡末林·昂尼斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀;然后利用液氦將溫度降低至4.2K附近，并在汞線兩端施加電壓;當溫度稍低于4.2K時，汞的電阻突然消失，表現(xiàn)出超導狀態(tài)。
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