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3.3 超导材料;超导现象的发现：;3.3.1超导研究历史;一些超导材料 的临界温度;;3.3.2 超导材料的基本性质与理论基础;高温超导体YBCO的电阻-温度曲线;超导体完全导电性的解释机理—BCS理论 ;BCS理论：——适用于金属晶体 金属晶体是有周期型排列的金属正离子和可以自由移动的自由电子构成。金属晶体中的电子处于带正电的原子核环境中，当温度处于超导体的临界温度以下时TTc，电子不再单独一个一个存在，带负电的电子吸引原子核向它靠拢，那么在电子周围形成局域正电势密集区，吸引第二个自旋相反的电子。这个电子和原来的电子以一定的结合能相结合配对，成为库柏电子对。两个电子自旋方向相反，动量大小相等，方向相反，总能量为零。库柏电子对的能量低于两个单独电子的能量。;库柏电子对在晶格中运动没有阻力，这是因为两个电子在电场作用下运动时，受到晶格的散射时，发生相反的动量改变，结果电子的总动量不变，所以晶格的散射不能加快也不能减慢电子的运动，宏观上表现为直流电阻为零的超导形式。;相干长度：是由吸引力束缚在一起的两个电子。实际上这种吸引作用并不强。一个库柏对的尺寸约为10-4cm左右，这个尺寸相当于晶格常数的10万倍。由此可见，一个库柏对在空间延展的范围是很大的，在这空间范围内存在着许多个库柏对互相重叠交叉的分布。库柏对有一定的尺寸，反映了组成库柏对的两个电子，不像两个正常电子那样，完全互不相关的独立运动，而是存在着一种关联性。 ;正常态;2. 完全抗磁性(迈斯纳效应);电阻为零和完全抗磁性是超导体最基本的两个性质 ，衡量一种材料是否具有超导性 必须看 是否同时有零电阻和迈斯纳效应。 ;当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。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。;观察迈纳斯效应的磁悬浮试验 现象：在锡盘上放一条永久磁铁，当温度低于锡的转变温度时，小磁铁会离开锡盘飘然升起，升至一定距离后，便悬空不动了。 原因：由于磁铁的磁力线不能穿过超导体，在锡盘感应出持续电流的磁场，与磁铁之间产生了排斥力，磁体越远离锡盘，斥力越小，当斥力减弱到与磁铁的重力相平衡时，就悬浮不动了。 ; 根据这种原理，可以利用超导体做成无摩擦轴承、高精度的导航用超导陀螺仪、磁悬浮列车等。;3. 超导态的临界参数 临界温度（TC） 超导体必须冷却至某一临界温度以下才能保持其超导性。 临界电流密度（JC） 通过超导体的电流密度必须小于某一临界电流密度才能保持超导体的超导性。 临界磁场（HC） 施加给超导体的磁场必须小于某一临界磁场才能保持超导体的超导性。 ;临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约 束超导现象的三大临界条件。只有当上述三个条件均满 足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象。 （由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）;Tc、Hc、Jc 任一条件变化都会从超导态变成正常态;3.3.3 超导体分类;目前已查明:在常压下具有超导电性的元素金属有32种（如右图元素周期表中青色方框所示），而在高压下或制成薄膜状时具有超导电性的元素金属有14种（如右图元素周期表中绿色方框所示）。 ;由于这类超导体临界温度太低，无太大实用价值;2.合金超导体 合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度 低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。 超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金 系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23.2K）。 3. 金属间化合物超导体 金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金 超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成 带材或线材。;; 1986 , 缪勒、柏诺兹发现高温超体。 超导材料获得了更高的临界温度 如：YBaCuO（Tc＝90K） TiBaCaCuO（Tc＝120K 从而实现了转变温度在液氮温区的突破。液氮的沸点为 77.3 K ，价格比液氦便宜 100 倍，冷却效率高 63 倍，且氮又是十分安全的气体，故大大扩展了超导的应用前景。 ;1987年两人获得诺贝尔物理学奖 ;把1986年4月以后发现的较高温度下的超导体称为高温超导 。高温超导材料都是陶瓷类氧化物 。;这些高Tc铜氧化物超导材料有许多共同的结构特征：;LaBaCuO4;1 层状钙钛矿结构，可以看作是由导电层和绝缘的组合层构成的夹层状结构。 2 导电层是由一层或几层Cu-O平面组成的，电导和超导都是主要发生在这些Cu-O层上，电学性质和超导性质都具有强烈的各向异性。 绝缘的组合层也可称作载流子库层。向CuO