低溫超導(dǎo)現(xiàn)象及特性-鄭州市第一〇二高級(jí)中學(xué)

超導(dǎo)是某些金屬或合金在低溫條件下出現(xiàn)的一種奇妙現(xiàn)象，是由荷蘭的物理學(xué)家卡麥林·昂納斯最先發(fā)現(xiàn)的。

1908年，昂納斯（1853—1926年）成功地液化了地球上最后一個(gè)“永久氣體”──氦氣，得到了接近絕對(duì)零度（0K＝-273.15℃）的低溫：4.25K～1.15K。之后，他把目標(biāo)轉(zhuǎn)向了“極低溫下金屬電阻隨溫度變化規(guī)律的研究”。昂納斯先是用鉑絲，接著用純度更高的水銀做實(shí)驗(yàn)，他吃驚的發(fā)現(xiàn)水銀在溫度降至氦的沸點(diǎn)即4.2K時(shí)（相當(dāng)于-269℃），電阻竟意外地消失了。起初昂納斯還以為是線路出現(xiàn)了故障，幾經(jīng)測(cè)定，最后他確信，水銀在4.2K下會(huì)產(chǎn)生一種新的導(dǎo)電特性──“零電阻性’或“超導(dǎo)電性”。1911年4月28日，昂納斯公布了這一發(fā)現(xiàn)，并在隨后幾篇論文中明確指出，某些材料在一定溫度下能進(jìn)入一種電阻為零的新物態(tài)。他將這種新物態(tài)命名為“超導(dǎo)態(tài)”，同時(shí)把具有從正常態(tài)（電阻不為零）轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)能力的材料稱作“超導(dǎo)體”，把能使超導(dǎo)體從正常導(dǎo)電狀態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)電狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)變溫度稱為“臨界溫度”。他進(jìn)一步用鉛環(huán)做實(shí)驗(yàn)，當(dāng)鉛變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，九百安培的電流在鉛環(huán)中流動(dòng)不止，兩年半以后毫無(wú)衰減。

昂納斯的這一發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了全世界的科學(xué)家，大家紛紛實(shí)驗(yàn)，并且想要揭開(kāi)超導(dǎo)的奧秘，因?yàn)橹挥辛私饬顺瑢?dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)理，才能使超導(dǎo)為人類作出更大的貢獻(xiàn)。

現(xiàn)在，科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)有上千種元素和化合物在低溫下可以轉(zhuǎn)化為超導(dǎo)態(tài)。對(duì)所謂“零電阻性”也已有共識(shí)：超導(dǎo)體即使有電阻，它的電阻率必然小于10-26“歐·米，而且只對(duì)直流電適用，若給超導(dǎo)體通入交流電，它仍會(huì)出現(xiàn)類似于常規(guī)電阻的“交流損耗”。從這個(gè)意義上講，超導(dǎo)體似乎可以說(shuō)是一種直流理想導(dǎo)體。

1. 超導(dǎo)態(tài)的完全抗磁性──“邁斯納效應(yīng)”

然而，隨著時(shí)間的推移，人們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體所呈現(xiàn)的特性撲朔迷離，遠(yuǎn)非當(dāng)初所想象的那樣簡(jiǎn)單。1933年荷蘭瓦爾特·弗瑞茲·邁斯納（1882～1974年）和奧森菲爾德兩人通過(guò)一個(gè)超導(dǎo)錫球?qū)嶒?yàn)觀察到，無(wú)論是將錫球先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要錫球進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就一定具有完全抗磁性。通常將這一現(xiàn)象稱作“邁斯納效應(yīng)”。這種效應(yīng)?？梢杂靡粋€(gè)磁懸浮實(shí)驗(yàn)來(lái)演示。將一只鉛碗浸入液氦，使它進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，就可以產(chǎn)生完全抗磁性，排斥放在碗上方的小磁體，從而使它懸浮。1987年，中國(guó)科學(xué)院物理所低溫物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家，用處于液態(tài)氮溫度下的釔鋇銅氧化物超導(dǎo)材料，使釹硼鐵永磁體懸浮起來(lái)。

完全抗磁性是不是與零電阻性有關(guān)系呢？答案是否定的?？茖W(xué)家指出，完全抗磁性和零電阻性是超導(dǎo)體的兩個(gè)相互獨(dú)立的性質(zhì)，因此從更嚴(yán)格意義上講，超導(dǎo)電性應(yīng)該包括這兩種特性，而超導(dǎo)體也絕非通常所說(shuō)的理想導(dǎo)體。

2. 超導(dǎo)體的臨界溫度、臨界電流密度和臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，除了提高溫度外，加入足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)或電流，也可以破壞超導(dǎo)電性，使超導(dǎo)體變?yōu)檎?dǎo)體。而要使物體從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變必須提供相應(yīng)的溫度、電流密度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的臨界條件，這三個(gè)條件分別稱作“臨界溫度”、“臨界電流密度”和“臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度”。對(duì)于不同超導(dǎo)體，這三個(gè)臨界參數(shù)是不同的。例如，在不同的磁場(chǎng)條件下，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性的臨界溫度互有差異。