正文 第8章 超導電性及超導材料(1 / 1)

為什麼低溫下的超導態汞會在弱磁場中失去超導能力呢?從1911年到1932年,盡管發現的超導體的數目在不斷增加,但人們還是沒有解決這一問題,一直認為溫度對超導有影響,而磁場對超導體和理想導體的作用一樣,磁力線可以穿過超導體。

直到1933年,邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家在測定金屬錫和鉛在磁場中冷卻到超導溫度下的內外磁通量分布時,發現了與傳統觀念不一樣的奇怪現象:超導體中的磁感應強度變為零。這就是說,磁力線不能通過超導體,在超導體中,磁力線全部被“趕”出來了。

超導體的這種性質叫做超導體的“完全抗磁性”。

超導體的完全抗磁性的現象也被稱之為邁斯納效應。

邁斯納效應表明了,不僅是外加磁場不能進入超導體的內部,而且原來處在外磁場中的正常態導體,當溫度降低使它變為超導體時,也會把超導體內的磁場完全排除出去。超導體的完全抗磁性為磁浮現象提供了原動力。這樣,超導體的超導電性除了電阻為零的特征外,另一個特征就是完全的抗磁性。這也是衡量一種材料是否是超導體的判據。

邁斯納和奧克森菲爾德關於磁場對超導體影響的研究,啟發了人們,後來又發現,當外磁場超過某一臨界值時,材料的超導性會被破壞。原來超導金屬和合金在低溫時的超導性,除了極低溫度外,隻有對於一定磁場強度範圍內的磁場來說才是合適的。一旦外加磁場強度超過一定限度,超導體就變為普通的導體了。

我們都知道,一根導線當有電流通過時,導線的周圍會產生磁場。當超導體的電流密度達到一定值後,它在超導體的周圍產生的磁場強度就有可能超過它的臨界磁場,從而破壞超導體的超導狀態。這就很好地解釋了昂尼斯用汞金屬超導體來製作強磁體失敗的原因。

由於電流與磁場的“親密”關係,超導體能承擔的電流密度也是有限的,也就是說,超導體容許通過的電流密度也有一個臨界值Jc,超過這個臨界值,它的超導電性便會被破壞。所以說,超導體有三個性能指標。其一是超導轉變溫度Tc。當超導體低於某一溫度Tc 時,便出現完全導電和邁斯納效應等基本特性。超導材料轉變溫度愈高愈好,越有利於應用。臨界磁場Hc 是超導體第二個指標。當T <Tc,將超導體放入磁場中,當磁場高於Hc 時,磁力線穿入超導體,超導體被破壞,而成為正常態。Hc 和溫度的關係是隨溫度降低,Hc 將增加。臨界電流密度Jc 是第三個指標。

超導材料按磁化特性可以分為兩類,即第一類超導體和第二類超導體。第一類超導體在超導態內能完全排除外磁場,且臨界磁場Hc 隻有一個值。除釩、铌、釕外,所有的元素超導體都是第一類超導體。第二類超導體的主要特征是具有兩個臨界磁場,即下臨界磁場Hc1和上臨界磁場Hc2。當磁場H 低於Hc1時,超導體處於零電阻和完全抗磁性的超導態,即與第一類超導體一樣。當磁場H 加大至Hc1,並從Hc1逐步增強,磁場部分地進入超導體內,並隨著磁場的增加,透入深度增大,直到H=Hc2,磁場完全透入超導體內,使其恢複到具有正常電阻的常導態。超導體在Hc1<H <Hc2之間的狀態稱為混合態。此時,超導體仍具有零電阻,但不具有完全抗磁性。釩、铌、釕及大多數合金和化合物超導體都屬於第二類超導體。由於第二類超導體的臨界溫度、臨界磁場和臨界電流都比第一類超導體高,因此,在技術應用上更為重要。