超导电性及其理论是什么?
发布网友
发布时间：2022-04-23 01:12
共1个回答
热心网友
时间：2023-08-30 02:52
超导电性
某些物质在一定温度以下呈现电阻等于零的性质，被称为超导特性，具有这种性质的物体称为超导体。
19世纪热学理论的研究促使绝热膨胀等获得低温的技术得到了飞速发展。1908年，荷兰科学家昂尼斯首次成功地实现了氦的液化。在一个大气压下氦的沸点为4.2K。于是他进一步在这一低温区考察了多种纯金属的电阻率。1911年，他发现汞（Hg）样品的电阻率突然降到零的现象，并将汞的这种性质称为超导电性。自那时以来，至今人们已发现在正常压力下有28种元素、5000余种合金和化合物具有超导电性。
超导体的基本性质：超导体的基本性质主要表现为它的临界温度，以及它的零电阻性和完全抗磁性。
超导体由正常态转变为超导态的温度称为临界温度。各种超导元素的临界温度Tc都很低（＜10K），其中最高的是铌（Nb），Tc=9.26K；最低的是铑（Rb），Tc=0.0002K（外推值）。超导合金和化合物的临界温度高些，其中最高的是铌三锗（Nb3Ge），Tc=23.2K。除了临界温度外，超导体还存在临界磁场Hc和临界电流密度Jc。
超导体最显著的特点是它的电阻为零。利用磁通量变化使由超导材料制作的环内产生感应电流。实验发现，这种电流会无衰减地持续很长时间。
通过这类实验测得的样品铅的电阻率为室温的1/1017。这表明超导体的电阻率确实为零。
完全抗磁性是超导体的另一个基本特性。材料处于超导态时，体内磁场恒等于零。这一性质由迈斯纳等人于1933年首先发现。所以超导体的这种排斥磁场线的现象又称为迈斯纳效应。
超导电性的理论
超导电性发现后，许多科学家作了长期努力，探索超导电性的机制，建立超导电性理论，解释超导电性的各种现象及其特性。
超导电性理论的建立可以区分为两个阶段：唯象理论和微观量子理论（BCS理论）。
“超导电性的两流体模型”是一种唯象理论。这个理论认为，超导体中有两类传导电子：正常电子和超导电子。前者与普遍金属中的导电电子相同，遵从欧姆定律；后者在运动时不受任何阻力。以后，人们又建立了“伦敦方程”（1935）和“京茨堡—朗道方程”（1950），并以这些方程来描述超导电子的运动规律，获得了一定的成功，预言了某些其后为实验所证实的超导现象。例如这些理论预言，磁场在超导体内部为零；但在超导体表面处，磁场将随深度按指数规律衰减，穿透深度λ的数量级约为10-6厘米。因此当超导体样品尺寸与λ可比拟时，它不再具有完全抗磁性。
1957年建立的BCS理论是目前公认的能够阐明超导电性产生的原因及其特性的微观理论。1950年，物理学家弗罗利希利用当时刚刚建立并完善的量子场理论，发现金属中的电子交换声子（晶格振动能量量子）可产生吸引作用。1956年，美国物理学家库珀从理论上预言，在费米面附近动量相反自旋也相反的两个电子之间，这种弗罗利希作用特别强，甚至超过此时它们之间的库仑排斥作用，因此可能形成电子对——库珀对。第二年，巴丁、库珀和施里弗利用库珀对观念建立了完整的超导量子理论。
金属电阻的起源可简单地解释为：作定向移迁运动的电子受到晶格点阵的散射，这是一种使电子定向迁移运动趋于混乱的倾向，于是单位时间内通过导线横截面的电量将减小，电子的定向迁移运动显示出其受到阻力。现在，弗罗利希相互作用表明，电子与晶格的相互作用在一定条件下不再引起电子的散射，而是形成库珀对，库珀对与晶格之间不再存在相互作用，它相当于超导电性两流体模型中的超导电子，因此它的运动将不受到任何阻力。这就是超导电性产生的原因。
两个动量和自旋都相反的电子形成库珀对后向外释放了结合能，因此其能量比两电子分离时低。费米面附近的电子两两配对后，将会改变原来电子能谱结构。结果在连续能带下面，会出现一单独能级，称为“超导基态”，它代表结合成电子对的状态。超导基态与连续能带之间的间隔Δ称为超导体的“能隙”，其值与材料微观结构的性质以及温度等因素有关。在绝对零度时，费米面附近的电子全部结合成库珀对，此时Δ为最大；当温度稍升高时，由于热激发，一些库珀对解体而成单个电子，Δ将减小；当温度达到某个值Tc时，库珀对全部消失，Δ变为零，此时超导态便转变为正常态。Tc就是超导体的转变温度。
弗罗利希吸引作用、库珀对和超导体能隙等都是处于晶格中的电子气系统的一种集体效应。根据不确定关系估计，库珀对中电子距离的测定为6～10Pm，大约是晶体格距的104倍，能隙Δ为3～10V。
耗能元件
耗能元件，是在电工、电子学中，电路中的纯电阻电器。如电炉、电灯泡、调速节能变频器、线圈和电阻器等。不含有电感和电容的元件，一般可等效为一个阻值的电子元件，它只将电能转化为热能，而不出现机械能、化学能等的转化，在转化过程中依然遵循能量守恒定理。
