1、通過做本實驗使學生對當今世界廣泛關(guān)注的新型超導(dǎo)材料(YBa2Cu307-x)有初步的了解。

2、測量超導(dǎo)材料電阻率隨溫度變化的特性曲線。

3、觀察超導(dǎo)材料的邁斯納效應(yīng)。

4、了解超導(dǎo)材料的一些應(yīng)用。

二、實驗原理

1、超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和邁斯納效應(yīng)

某些金屬被冷卻到極低溫度時呈現(xiàn)出異乎尋常的電、磁綜合特性。所謂極低溫度是由荷蘭物理學家昂尼斯(H.K.0nnes)于1908年利用液氦所能達到的極低溫度。3年后，1911年他發(fā)現(xiàn)純汞(Hg)的電阻在這樣低的溫度下(約4.2K)，小到了無法測量的程度。在這一溫度下，汞的電阻不是平穩(wěn)地下降，而是急劇下降，當?shù)陀谶@一溫度時，汞便完全不顯示電阻了，見圖1。昂尼斯認識到，汞在4.2K以下時便進入一種新的狀態(tài)，這種新的狀態(tài)稱為“超導(dǎo)態(tài)”。相應(yīng)的物質(zhì)(如Hg)稱為超導(dǎo)體，后來發(fā)現(xiàn)許多金屬及其化合物都具有超導(dǎo)電性。超導(dǎo)體失去電阻的溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度，用Tc表示。至1973年人們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的是Nb3Ge，臨界溫度為23K，從此以后一直沒有進展。1986年1月IBM公司在瑞士蘇黎士實驗室的兩名研究員(Bednorz和Műller)發(fā)現(xiàn)了30K的超導(dǎo)材料。這種材料是一種氧化銅和釔加少量鋇和鍶、或鈣的陶瓷材料，以此為基礎(chǔ)，在國際上開始了高臨界溫度超導(dǎo)材料的研究熱潮，1986年底便把超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度提高到了88K，首次突破使用液氮溫度(77K)的大關(guān)。這兩名研究員為此獲得1987年諾貝爾物理獎。

在超導(dǎo)態(tài)下，電阻是真正變?yōu)榱懔四兀€是僅僅降低到了一很小的值?當然，實驗永遠不能證明電阻確實為零。任何樣品的電阻可能總是恰好小于儀器的靈敏度允許探測到的電阻。一般測量方法是把電流通入超導(dǎo)體，再用靈敏伏特計連到線的兩端，測試其電壓便能測得超導(dǎo)體的電阻，本實驗便采取此方法(所謂四線法)測試。更為靈敏的實驗是，給超導(dǎo)環(huán)內(nèi)通一電流，經(jīng)過長時間觀察測量后，看電流有沒有衰減。設(shè)環(huán)的自感為L，若t=0時環(huán)中電流為i(O)，那么，在稍后的時間t，電流應(yīng)衰減為i(t)=i(O)e-(R/L)t，其中R為環(huán)的電阻。我們能測量環(huán)行電流產(chǎn)生的磁場并由此觀測是否隨時間衰減。測量磁場變化不從電路中引出能量，從而我們應(yīng)能用此方法測試電流是否無限地循環(huán)下去。根據(jù)超導(dǎo)閉合線圈中環(huán)行電流不衰減的事實。Gallop得出結(jié)論，超導(dǎo)金屬的電阻率小于10-26歐姆·米(即小于室溫下銅電阻率的10-18，由此看來超導(dǎo)體的電阻視為零是正當?shù)摹?/p>

超導(dǎo)材料除失去電阻這一特性外，還有另一個重要的特性是完全逆磁性。按麥克斯韋方程:▽×E=-B/t，既然超導(dǎo)體內(nèi)沒有電阻，則可視為理想導(dǎo)體，因此▽×E為零，勢必磁感應(yīng)強度不隨時間變化，即B/t=0。超導(dǎo)體的磁感應(yīng)強度應(yīng)由初始條件決定，當一塊金屬處于超導(dǎo)態(tài)，然后施加磁場，其數(shù)值小于臨界磁場Bc，此時超導(dǎo)體內(nèi)B=0，沒有磁感應(yīng)線，如圖2(b)。假如此超導(dǎo)體在高于Tc的溫度時先處在磁場中，其體內(nèi)有磁感應(yīng)強度B=B0，其值小于Bc，然后讓它冷卻至Tc以下的溫度，此金屬變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。按上述理論，超導(dǎo)體內(nèi)將保持原有的磁感應(yīng)強度，如圖2(a)。事實上，1933年，邁斯納和奧森菲爾德做了實驗，在小磁場中把金屬冷卻變成超導(dǎo)態(tài)時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)線完全被排斥出來，保持體內(nèi)磁感應(yīng)強度為零，如圖2(c)所示。

總之，實驗表明，不論在進入超導(dǎo)態(tài)之前金屬體內(nèi)有沒有磁感應(yīng)線，當它進入超導(dǎo)態(tài)后，只要外磁場|B0|小于臨界磁場Bc，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度總是等于零，即B=B0+μ0M=0。由此求得金屬在超導(dǎo)電狀態(tài)的磁化率為χ=μ0M/B0=-1，是負值。以上B0是外加磁場H在真空中的磁感應(yīng)強度。所以說，超導(dǎo)體是一個“完全抗磁體"，超導(dǎo)體的完全抗磁性稱為邁斯納效應(yīng)。此效應(yīng)的意義在于否定了把超導(dǎo)體簡單地看作理想導(dǎo)體的設(shè)想，這還指明了超導(dǎo)態(tài)是一個熱力學平衡的狀態(tài)，同怎樣進入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)。

2、關(guān)于超導(dǎo)態(tài)現(xiàn)象的兩種理論解釋。

1)、二流體模型

二流體模型是1934年為了解釋超導(dǎo)體的熱力學特性提出來的。該模型認為超導(dǎo)體內(nèi)的傳導(dǎo)電子可分成兩類:正常的傳導(dǎo)電子和超導(dǎo)電子(或超流電子)。正常傳導(dǎo)電子就是普遍意義下的自由電子，超導(dǎo)電子則是特殊狀態(tài)下的電子，超導(dǎo)電子處在一種“凝聚”，狀態(tài)，所謂“凝聚”是指它們聚集在一能量狀態(tài)，其特點是不發(fā)生散射。該模型認為:兩類電子占據(jù)同一體積，互相滲透，彼此獨立地運動，式中n是正常電子和超導(dǎo)電子的總濃度。當T=0K時，所有電子都變成超導(dǎo)電子。當T=Tc時，所有電子都變成正常電子。可把ns/n作為有序化程度的一個量度，稱之為有序參量或有序度。

二流體模型可以說明零電阻特性。當T<Tc時超導(dǎo)電子出現(xiàn)，由于它們不被散射，因而具有無限大的電導(dǎo)率;金屬內(nèi)不能存在電場，正常電子不負載電流，從而導(dǎo)致整個樣品顯示無限大的電導(dǎo)率。

2)、倫敦方程

在二流體模型基礎(chǔ)上，1955年倫敦兄弟提出了兩個描述超導(dǎo)電流和電磁場關(guān)系的方程，成功地解釋了零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)，并預(yù)言了一些新結(jié)果。

其中，是一個庫柏對的有效電荷和有效質(zhì)量，分別為2e和2m。因為超導(dǎo)電子實際上是兩個結(jié)合在一起的電子對，即庫柏對。

                            圖3超導(dǎo)體表面磁感應(yīng)強度分布

在超導(dǎo)體內(nèi)部的磁通密度按指數(shù)規(guī)律迅速衰減如圖3所示，λ稱為倫敦穿透深度，是磁場在超導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生顯著變化的尺度。按（11）式估算，λ≈10-6cm，與實驗值接近，說明僅在超導(dǎo)體表面附近約10-6cm的薄層內(nèi)才有不為零的磁場。超導(dǎo)體內(nèi)的磁場實際是零，因此說明了邁斯納效應(yīng)。是在表面很薄的一層內(nèi)產(chǎn)生的沿Z方向的電流，它的作用是產(chǎn)生磁場以抵消沿y方向的外磁場，使超導(dǎo)體內(nèi)總是B=0，稱它為抗磁電流或屏蔽電流。換言之，正是這樣分布的表面層的屏蔽電流，抵消了深入到超導(dǎo)體內(nèi)的外磁場，才使超導(dǎo)體始終保持零磁場狀態(tài)。

因此，倫敦理論不僅解釋了邁斯納效應(yīng)和零電阻特性，而且預(yù)言了磁場的屏蔽需要一個有限的厚度，磁場穿透的深度應(yīng)為10-6cm的數(shù)量級。

                            圖4兩類超導(dǎo)體

超導(dǎo)體按其磁化特性可分為二類:類超導(dǎo)體只有一個臨界磁場Bc，其磁化曲線如圖4所示，在超導(dǎo)態(tài)具有完全逆磁性。第二類超導(dǎo)體有兩個臨界磁場，上臨界磁場Bc1和下臨界磁場Bc2，當外磁場B0小于BC1時，同類一樣。第二類超導(dǎo)體處于邁斯納狀態(tài)(即完全抗磁性)，體內(nèi)沒有磁感應(yīng)線穿過，當外磁場B0介于Bc1和Bc2之間時，第二類超導(dǎo)體處于混合態(tài)，這時體內(nèi)有磁感應(yīng)線穿過，形成許多半徑很小的圓柱形正常區(qū)。正常區(qū)周圍是連通的超導(dǎo)區(qū)，整個樣品的周圍仍有逆磁電流。這樣第二類超導(dǎo)體處在混合態(tài)，既具有逆磁性(但B0)又仍然沒有電阻，新發(fā)現(xiàn)的YBa2Cu307-x就屬于第二類超導(dǎo)體材料。http://www.bjzazl.cn