中国科学技术大学电磁学小论文 论文题目：超导体的特性、原理及应用
作者：蒋哥
学号：PB13206***
指导老师：周**
日期：2014.6.9
超导体的特性、原理及应用
一、摘要
超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质；“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。自从超导发现至今，超导的研究和超导体的研制已迅速发展，超导体的物质结构及性质已逐渐研究清楚，超导的临界温度已从开始的几开升至二百多开，超导材料得到广泛应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。
二、关键词
超导体 零电阻效应 迈斯纳效应 应用 实验验证
三、引言及背景
人类最初发现物体的超导现象是在1911年。当时荷兰科学家卡·翁纳斯等人发现，某些材料在极低的温度下，其电阻完全消失，呈超导状态。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。经过近100年的发展，临界温度已大大提高，现有的高温超导体用液态氮来冷却即可应用于实际。高温超
导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
四、正文
1、超导体的特性及原理
1.1零电阻效应 超导体在一定温度以下，其电阻降为零的现象称为材料的超导电现象。1911 年荷兰著名低温物理学家昂纳斯发现在 T＝4.1K 下汞具有零电阻效应。采用四引线电阻测量法可测出超导体的R －T 特性曲线，如图所示。
图中的 Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度 Ts；当电阻减小到 Rn/2 时的温度称为中点温度 Tm；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。
由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。
下面对这一特性进行理论分析：
欧姆定律的微分形式：j=σE
（j 为正常电流密度，σ为电导率，E 为电场强度） 伦敦方程给出：偏js/偏t=aE和▽×js=bB
（a=ns*e^2/m ，b=-ns*e^2/m ，ns 为超导电子密度，e ，m 为电子的电荷与质量,js 是超导电流密度）
超导体中总电流密度j 为： j=js+j
(假设j 仍服从j=σE)
在直流情形下有：偏js/偏t=0，由偏js/偏t=aE得E=0，从而应有j=σE=0 定性解释：在直流情形，全部电流是由超导电子贡献的，因而表现出0电阻。
1.2迈斯纳效应(完全抗磁性效应) 1933 年，迈斯纳（W.Meissner ）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），磁力线不能穿过它的体内。也就是说超导体处于超导态时，体内的磁场恒等于零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。需要注意的是超导体一旦进入超导状态，体内的
磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导
体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把全部磁通量排出体外。 下面对这一特性进行理论分析： 产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面感生一个无损耗的（零电阻效应——无损耗）抗磁超导电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。
早期曾有人认为超导体是一种导电率σ等于无穷大的导体，即用纯电学的观点去看超导体。实际上，这种观点认为超导体与普通导体没有本质区别，其不同之处仅仅在于电导率的大小存在着差异而已，实验证明这种想法是不正确的。
欧姆定律的微分形式j =σE
（其中，j 是电流密度矢量，E 是电场强度，σ是电导率） 此外，由电磁学的麦克斯韦方程
可知，若将超导看成是σ→∞的导体，超导体中的磁场B 应满足方程
上式表明，超导体内的磁场B 与时间t 无关，或B 不随时间改变，而完全由初始条件决定。即超导体内，如果t=0时，有磁场B ，则以后磁场B 的大小和方向皆不改变；如果t=0时，超导体内无磁场，则以后恒无磁场。根据以上的结论，我们可以设计两个实验如下图（实验1先冷却再外加磁场，实验2先外加磁场再冷却），如果认为超导体是σ→∞的普通导体，则应出现图（a ）的结果，即超导体内有无磁场，完全取决于初始条件，先冷却，后加磁场则超导体内无磁场；先加磁场，后冷却则超导体内有磁场。但实验结果表明图（a ）的情况并未出现。相反，实验结果是图(b)所示的情况。无论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内
即超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的特性。
1.3约瑟夫森效应
当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子能 通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森效应，相应的装 置称为约瑟夫森器件，如图所示。
当通以低于临界电流值 I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流I>I0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。
2、超导特性的应用
2.1零电阻效应的应用
2.1.1超导电缆
目前大功率高压输电能量损失高达10%以上, 根据超导体的零电阻效应, 可以利用超导电缆实现完全没有热损耗的输电过程。并且超导导线的输运电流密度可达10A ·mm-2, 3
为普通导线的500～1 000倍, 所以超导电缆具有体积小、重量轻、能耗低和传输容量大等优点。采用超导电缆的电网电压等级可以大大降低, 省去了初终端设备, 特别适合大容量长距离输电。
2.1.2超导滤波器
超导滤波器是超导材料的先进应用之一，国际上很多公司都在开展这方面的研究。由于超导体表面电阻为零，用它制出的滤波器达到的特性是常规滤波器所无法比拟的。基站中安装超导滤波器后，可以显著的提高基站的接收灵度，扩大基站的覆盖范围，提高通话质量，降低对人体健康的影响。
2.1.3超导磁储能系统
利用超导材料制成线圈, 经供电励磁产生磁场而储存能量, 在需要时再将能量送回电网或作其他用途, 这就是超导磁储能系统。由于储能线圈是由超导体绕成并维持在超导态, 所储存的能量几乎可以无损耗地储存下去, 因此, 其能量转换效率很高, 可达95%,以及很快的反应速度, 可达几毫秒。该系统不仅可以用作高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统, 还可用于调节电力系统的峰谷、降低电网的低频功率以及无功和功率因素的调节, 达到改善电网电压和频率特征, 改善系统稳定性的目的。
2.1.4超导发电机
常规发电机采用铜或铝作为导体，重量大，焦耳热高，且发生瞬时过载时会发出很大的噪声。利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。
2.2迈斯纳效应的应用
2.2.1超导磁悬浮列车
磁悬浮车是超导技术在交通运输中的重要应用成果，它具有安全、舒适、高速的优点，其它交通工具是无法与之相比的。下图是磁悬浮车的原理模型图，车身底部截面呈凹形，装有超导电磁体，导轨是铝质的，截面呈凸形。列车前进时，车身底部的超导电磁体产生的磁场在铝制导轨内引起感应电流，感应电流的磁场排斥车身的电磁铁磁场，使车身悬浮在导轨上，从而使列车在行进过程中受到的摩擦阻力大大减小。
2.2.2超导磁悬浮轴承
利用迈斯纳效应，超导转轴会产生与原磁场方向相反的磁场，磁场的作用力使转轴悬浮而无摩擦，无摩擦的超导轴承是机械中最理想的构件，它的应用会使许多机械面目为之一新。
3、设计实验验证超导体的零电阻效应和迈斯纳效应
3.1验证零电阻效应
1.取一超导圆环置于温度低于其临界温度Tc 的环境中；
2.利用电磁感应使环内激发起感应电流；
3.检测环内电流的持续时间，若环内电流能持续下去； 再升高温度至高于Tc ，若电流立刻消失，则说明零电 阻效应存在。
3.2验证迈斯纳效应
1. 在一个浅平的超导体盘中，放入一个体积很小磁性很强 的永久磁铁，然后把温度降低至低于其临界温度Tc ， 使其出现超导性。
2. 若观察到小磁铁离开盘面并上升，上升到一定高度后， 小磁铁悬空保持不动，则说明迈斯纳效应存在。
五、结语
超导体有两个基本特性。其一是零电阻效应，即在超导临界转变温度之下，超导体的电阻降为零。超导体的另一个基本特性是完全抗磁性, 即超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入，这个现象被称为迈斯纳效应。 由于超导态的新奇特性, 使超导体有着广泛的应用领域和较高的实用价值。超导技术必将成为21世纪最热门的高新技术之一。
六、参考文献
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