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1、超导体与超导现象第1页，本讲稿共11页超導體是什麼n n超導體（superconductor）。當某導體在一溫度下，可使電阻為零而稱之。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。第2页，本讲稿共11页超導體的發現n n19111911年，荷蘭科學家昂內斯年，荷蘭科學家昂內斯(Onnes)(Onnes)用液氦冷卻用液氦冷卻汞，當溫度下降到絕對溫標汞，當溫度下降到絕對溫標4.2K4.2K時水銀的電阻完時水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性，此溫度稱為全消失，這種現象稱為超導電性，此溫度稱為臨界溫度。根據臨界溫度的不同，超導材料可臨界溫度。根據臨界溫度的不同，
2、超導材料可以被分為：高溫超導材料和低溫超導材料。但以被分為：高溫超導材料和低溫超導材料。但這裡所說的高溫，其實仍然是遠低於冰點這裡所說的高溫，其實仍然是遠低於冰點攝氏攝氏0 0的，對一般人來說算是極低的溫度。的，對一般人來說算是極低的溫度。19331933年，年，邁斯納邁斯納和和奧克森菲爾德奧克森菲爾德兩位科學家發現，如兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為通過超導體，這種現象稱為抗磁性抗磁性。n n經過科學家們的努力，超導材料的經
3、過科學家們的努力，超導材料的磁電障礙磁電障礙已被已被跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫跨越，下一個難關是突破溫度障礙，即尋求高溫超導材料。超導材料。第3页，本讲稿共11页超導體的用途n n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。第4页，本讲稿共11页什麼是超導現象n n超導現象超導現象超導現象超導現象是指材料在低於某一溫度時，電阻變為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零的現象，而這一溫度稱為超導轉變溫度（TcTc）。超導現象的特徵是）。超導現象的特徵是零電阻零電阻和完全和完全抗磁抗磁性性。n n金屬導體的電阻會隨著溫度降低而逐
4、漸減少。然而，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極限。即使接近絕對零度時，純樣的銅也仍然保有電阻值。阻值。而超導體的電阻值，相反地，則是當材料低而超導體的電阻值，相反地，則是當材料低於其於其 臨界溫度臨界溫度 時，電阻會驟降為零，通常在絕對時，電阻會驟降為零，通常在絕對溫度溫度 20 20 度或更低時。在超導體線材裡面的電流能夠度或更低時。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。如同磁性和不斷地持續而不需提供電能。如同磁性和原子能譜原
5、子能譜等現象，超導特性也是種等現象，超導特性也是種量子效應量子效應。這種性質無。這種性質無法單純靠傳統物理學中理想化的全導特性法單純靠傳統物理學中理想化的全導特性來理解。來理解。第5页，本讲稿共11页超導體是什麼n n超導現象可在各種不同的材料上發生，包括單純的元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佈塗的半導體素如錫和鋁，各種金屬合金和一些經過佈塗的半導體材料。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。會發生在大部分的磁性金屬上。n n在在19861986年發現的年發現的銅氧鈣鈦
6、銅氧鈣鈦陶瓷材料等系列，即陶瓷材料等系列，即所謂的所謂的高溫超導體高溫超導體，具有臨界溫度超過，具有臨界溫度超過9090度的度的特質，基於各種因素促使學界又再度燃起研究特質，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，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，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。則更能實現於業界應用。第6页，本讲稿共11页超
7、導現象的完全抗磁性n n1933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。第7页，本讲稿共11页超導現象的進一步發現n n19521952年，科學家發現了合金超導體年，科學家發現了合金超導體矽化釩矽化釩。19861986年年1 1月，德國科學家月，德國科學家伯德諾茲伯德諾茲（Georg Georg BednorzBednorz）和瑞士科學家繆勒（）和瑞士科學家繆勒（Alex MllerAlex Mller）發現陶瓷性金屬氧化物可以作為超導
8、）發現陶瓷性金屬氧化物可以作為超導體，從而獲得了體，從而獲得了19871987年諾貝爾物理學獎。年諾貝爾物理學獎。19871987年，美國華裔科學家朱經武以及中年，美國華裔科學家朱經武以及中國科學家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧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系材料上把臨界超導溫度提高到90K90K以上，以上，液氮的溫度壁壘（液氮的溫度壁壘（77K77K）也被突破了。）也被突破了。19871987年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到臨界超導溫度的記錄提高到125K125K。從。從19861986年年19871987年的短短一年多的時間里，臨
9、年的短短一年多的時間里，臨界超導溫度提高了近界超導溫度提高了近100K100K。第8页，本讲稿共11页超導現象的機理n n19571957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）提出了以他們名字首字母命名的字首字母命名的BCSBCS理論，用於解釋理論，用於解釋超導現象的微觀機理。超導現象的微觀機理。BCSBCS理論認為：理論認為：晶格的振動使自旋和動量都相反的兩晶格的振動使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零的個電子組成動量為零的庫珀對，所以根據量子力學中物質波的理論，庫珀的理論，庫珀對的波長很長以至於其可以繞過晶格缺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、施里弗因此獲得丁、庫珀、施里弗因此獲得1972年的諾貝爾物理學獎。第9页，本讲稿共11页參考資料n n維基百科第10页，本讲稿共11页謝謝大家n nThank A Lot第11页，本讲稿共11页