材料的傳導性精品課件

1、材料的傳導性第1頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四導電材料、電阻材料、電熱材料、半導體材料、超導材料和絕緣材料等都是以材料的導電性能為基礎的。 4.1 導電性 第2頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四舉例： 長距離傳輸電力的金屬導線應該具有很高的導電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。 陶瓷和高分子的絕緣材料必須具有不導電性，以防止產生短路或電弧。 作為太陽能電池的半導體對其導電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽能利用效率。 第3頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。 在金屬、半導體和絕緣體中攜帶電荷

2、的載流子是電子 在離子化合物中，攜帶電荷的載流子則是離子。 第4頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四控制材料的導電性能實際上就是控制材料中的載流子的數(shù)量和這些載流子的移動速率。 對于金屬材料來說，載流子的移動速率特別重要。 對于半導體材料來說，載流子的數(shù)量更為重要。 載流子的移動速率取決于原子之間的結合鍵、晶體點陣的完整性、微結構以及離子化合物中的擴散速率。 第5頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四部分材料的電導率 材料電子結構電導率（-1cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13105堿土金屬 Mg1s22s22p63s22.25105A族金

3、屬Al1s22s22p63s23p13.77105過渡族金屬Fe.3d64s21.00105族元素材料Si.3s23p2510-6高分子材料聚乙烯10-15陶瓷材料Al2O310-14第6頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四經典自由電子理論 自由電子近似能帶理論分析理論第7頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四經典自由電子理論金屬是由原子點陣組成的，價電子是完全自由的，可以在整個金屬中自由運動自由電子的運動遵守經典力學的運動規(guī)律，遵守氣體分子運動論。這些電子在一般情況下可沿所有方向運動 等 這些電子在一般情況下可沿所有方向運動。在電場作用下自由電子將沿電場

4、的反方向運動，從而在金屬中產生電流。電子與原子的碰撞妨礙電子的繼續(xù)加速，形成電阻。 第8頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四成功：困難：可以推導出歐姆定律、焦爾-楞次定律等 一價金屬和二價金屬的導電問題 電子比熱 問題根源在于它是立足于牛頓力學第9頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四一價金屬和二價金屬的導電問題 按照自由電子的概念，二價金屬的價電子比一價金屬多，似乎二價金屬的導電性比一價金屬好很多。但是實際情況并不是這樣。 材料電子結構電導率（-1cm-1）堿金屬Na1s22s22p63s12.13105堿土金屬 Mg1s22s22p63s22.2510

5、5第10頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四電子比熱問題 按照經典自由電子論，金屬中價電子如同氣體分子一樣，在溫度T下每1個電子的平均能量為3kBT/2(kB為玻耳茲曼常數(shù))。對于一價金屬來說，每1mol電子氣的能量Ee=NA3kBT/2=3RT/2，式中NA為阿佛加德羅常數(shù)，NA=6.0221023mol-1,R為氣體常數(shù)。1mol電子氣的熱容 Cev=dEe/dT=3R/23cal/mol。這一結果比試驗測得的熱容約大100倍。 5.1概述第11頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四經典自由電子論的問題根源在于它是立足于牛頓力學的，而對微觀粒子的運動問

6、題，需要利用量子力學的概念來解決。第12頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四自由電子近似 金屬離子所形成的勢場各處都是均勻的，價電子是共有化的，它們不束縛于某個原子上，可以在整個金屬內自由地運動，電子之間沒有相互作用。電子運動服從量子力學原理 。第13頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四由于在自由電子近似中，電子的能級是分立的不連續(xù)的，只有那些處于較高能級的電子才能夠跳到沒有別的電子占據的更高能級上去，那些處于低能級的電子不能跳到較高能級去，因為那些較高能級已經有別的電子占據著。這樣，熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠遠少于總的價電子數(shù)，所以用量子自由電子論推導出的比

7、熱可以解釋實驗結果。而經典自由電子論認為所有電子都有可能被熱激發(fā)，因而計算出的熱容量遠遠大于實驗值。 第14頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四自由電子近似的問題在于認為勢場是均勻的，因此還是不能很好地解釋諸如鐵磁性、相結構以及結合力等一些問題。 第15頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四能帶理論則是在量子自由電子論的基礎上，考慮了離子所造成的周期性勢場的存在，從而導出了電子在金屬中的分布特點，并建立了禁帶的概念。 能帶理論第16頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四從連續(xù)能量分布的價電子在均勻勢場中的運動，到不連續(xù)能量分布的價電子在均

8、勻勢場中的運動，再到不連續(xù)能量分布的價電子在周期性勢場中的運動，分別是經典自由電子論、自由電子近似論、能帶理論這三種分析材料導電性理論的主要特征。 第17頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四溫度是強烈影響材料許多物理性能的外部因素。由于加熱時發(fā)生點陣振動特征和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復、空位退火、再結晶以及合金相成分和組織的變化，這些現(xiàn)象往往對電阻的變化顯示出重要的影響。從另一方面考慮測量電阻與溫度的關系乃是研究這此現(xiàn)象和過程的一個敏感方法。4.1.2 導電性與溫度的關系第18頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在很寬的溫度范圍內研究電阻與溫度的關系可以

9、顯示電子散射的不同機制，不同散射形式占優(yōu)勢的溫度區(qū)域，金屬電阻實際上等于殘余電阻的溫度。研究電阻與溫度的關系向樣可以顯示超導現(xiàn)象和引起鐵磁性反常等的特殊性能。以下先討論“簡單金屬”電阻隨溫度變化的一般規(guī)律，隨后討論幾種反常的情形。第19頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四雜質和晶體缺陷對金屬低溫比電阻的影響一般規(guī)律幾個名詞：聲子，得拜溫度第20頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 在絕對零度下化學上純凈又無缺陷的金屬，其電阻等于零。隨著溫度的升高，金屬電阻也在增加。無缺陷理想晶體的電阻是溫度的單值函數(shù)，如圖中曲線1所示。如果在晶體中存在少量雜質和結構缺陷

10、，那未電阻與溫度的關系曲線將要變化，如圖曲線2和3所示。在低溫下微觀機制對電阻的貢獻主要由 表示。缺陷的數(shù)量和類型決定了與缺陷有關的電阻。第21頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在低溫下“電子電子“散射對電阻的貢獻可能是顯著的，但除了最低的溫度以外，在所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都決定于“電子聲子”散射。必須指出，點陣的熱振動在不同溫區(qū)存在差異。根據德拜理論，原子熱振動的特征在兩個溫度區(qū)域存在本質的差別，劃分這兩個區(qū)域的溫度 稱為德拜溫度或特征溫度。在 時電阻與溫度有不同的函數(shù)關系，因此，當研制具有一定電阻值和電阻溫度系數(shù)值的材料時知道金屬在哪個溫區(qū)工作，怎樣控制和發(fā)揮其性

11、能是很重要的。 第22頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四研究表明，在各自的溫區(qū)有各自的電阻變化規(guī)律：式中 為金屬在德拜溫度時的電阻。第23頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 實驗表明，對于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過500k。當 時，電阻和溫度成線性關系，即式中 為電阻溫度系數(shù)，表示成顯然， 只是 溫區(qū)的平均電阻溫度系數(shù)。若使溫度間隔趨于零，得到在溫度T時的真電阻溫度系數(shù)第24頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在低溫下決定于“電子電子“散射的電阻。這是由于在這些溫度下決定于聲子散射的電阻大大減弱的緣故。第25頁，共88

12、頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 普通金屬電阻與溫度的典型關系非過渡族金屬電阻與溫度的關系第26頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四過渡族金屬中電阻與溫度間有復雜的關系。根據Mott的意見，這是存在幾種有效值不同的載體所引起的。由于傳導電于有可能從s殼層向d殼層過渡這就對電阻帶來了明顯的影響。此外在 時，s態(tài)電子對具有很大有效值的d態(tài)電子上的散射變得很可觀?？傊^渡族金屬的電阻可以認為是由一系列具有不同溫度關系的成分疊加而成。 過渡族金屬和多晶型轉變第27頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四過渡族金屬 的反常往往是由兩類載體的不同電阻與溫

13、度關系決定的。這已經在Ti，Zr,Hf，Ta，Pt和其他過渡族金屬中得到證實。鈦和鋯電阻與溫度的線性關系只保持到350 oC ，在進一步加熱到多晶形轉變溫度之前由于空穴導電的存在，線性關系被破壞。這是由于在過渡族金屬中s殼層基本被填滿，這當中電流的載體是空穴，而在d殼層卻是電子。 第28頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四多晶形金屬不同的結構變體導致了對于同一金屬存在不同的物理性能，其中包括電阻與溫度的關系。由于不同結構變體的電阻溫度系數(shù)變化顯著，在 曲線上多晶形轉變可以顯示出來。無論在低溫變體區(qū)還是在高溫變體區(qū)，隨著溫度的提高，多晶形金屬的電阻都要增加。第29頁，共88頁

14、，2022年，5月20日，4點25分，星期四多晶形金屬電阻與溫度的關系第30頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四多晶形金屬變體存在不同的溫度關系和電阻溫度系數(shù)，使得有可能創(chuàng)造出工作在一定溫度區(qū)間，以一個金屬為基且具有預期電學性能的合金。第31頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在磁性材料中發(fā)生的鐵磁到順磁和反鐵磁到順磁的轉變屬于二級相變。電阻和溫度的線性關系對于鐵磁體是不適用的。鐵磁金屬的電阻溫度關系反常第32頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四圖5.3-5 Ni和Pd的 與溫度的關系第33頁，共88頁，2022年，5月20日，4點2

15、5分，星期四當溫度降到低于 時，鐵磁體(Ni)的電阻比順磁體(Pd)的下降要激烈.同樣可以看到在居里點以前Ni的電阻溫度系數(shù)不斷增大，過了居里點以后則急劇減小。其他鐵磁材料也有類似情況。這種在居里點附近電阻對溫度一次導數(shù)經過極大值的現(xiàn)象被用來獲得電阻溫度系數(shù)很高的合金。創(chuàng)造 的合金是許多儀器制造中提出的一個迫切課題。第34頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四圖5.3-6溫度對具有磁性轉變金屬比電阻和電阻溫度系數(shù)的影響 (a)一般情況；(b)金屬鎳第35頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四壓力對材料的性能表現(xiàn)出強烈的影響。由于壓力改變著系統(tǒng)的熱力學平衡條件

16、，因而也就能夠使金屬出現(xiàn)新的變體。一般認為在幾百千巴(1巴=1.02大氣壓=105帕斯卡(Pa)壓力下不發(fā)生某種相變的物質幾乎是沒有的。4.1.3 導電性與壓力的關系第36頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在壓力的作用下，由于傳導電子和聲子之間相互作用的變化，電子結構以及電子間相互作用發(fā)生改變，金屬的費米面和能帶結構發(fā)生變化；在壓力的作用下，金屬的聲子譜照樣也要變化.這些因素都導致了出現(xiàn)具有新性能的元素變體，而這些性能是常壓下所沒有的。第37頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四壓力對過渡族金屬的影響最顯著，這些金屬的特點是存在著具有能量差別不大的未填滿

17、電子的殼層。因此在壓力作用下，過渡族金屬電子結構的變化可能容易導致填充程度的其他序列，有可能位外殼層電子轉移到未填滿的內殼層。這就要表現(xiàn)出性能的變化，即存在類似于溫度影響下很容易發(fā)生的多晶形現(xiàn)象。第38頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 在不同溫度下，幾乎對所有純元素都研究過壓力對電阻的影響，并確定了電阻的壓力系數(shù)(定義為 )。實驗表明，隨著溫度的變化電阻壓力系數(shù)幾乎不變，這也說明了電阻溫度系數(shù)與壓力無關。第39頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四根據壓力對電阻的影響可以把元素分為正常元素和反常元素。屬于前者的有Fe，Co，Ni，Rh，Pd，Ir，Pt

18、，Cu，Ag，Au，Zr，Hf，Th，Nb，Ta，M，W，U等。對于它們可以觀察到隨壓力增高電阻單調降低；屬于后者的有堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第v族的半金屬，它們有正的電阻壓力系數(shù)且隨壓力升高系數(shù)變號，即在 曲線上存在極大值，這一現(xiàn)象和壓力作用下的相變有關。第40頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四壓力對金屬電阻的影響(a)和(b)正常元素；(c)反常元素第41頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 有趣的是，高的壓力往往導致物質的金屬化，引起導電類型的變化，而且有助于從絕緣體半導體金屬超導體的某種轉變。某些半導體和電介質轉變?yōu)榻饘賾B(tài)所要的臨界壓力第4

19、2頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 眾所周知，許多金屬在高壓下都能觀察到多晶形現(xiàn)象。比較一下溫度和壓力的影響可以看到，壓力對于相變來說是更為有利的。實驗表明，當溫度變化時大約30種金屬有多晶形轉變；然而，在壓力影響下卻有40種金屬發(fā)現(xiàn)了多晶形現(xiàn)象。對于Bi，Sb，Cd，Li，Cs，Rb，He，Ba，Ga，Zn等等，壓力將導致出現(xiàn)新的多晶形變體，而它們在常壓下則是單晶形的。第43頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四必須指出，壓力照例使較為致密的金屬相趨于穩(wěn)定。例如鐵在壓力作用下 的轉變被遏制，而 轉變被加速。壓力作用下的多晶形轉變導致出現(xiàn)各種結構變體的

20、電學性能。第44頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四電阻與組元濃度的關系 與純組元相比，金屬固溶體的形成總是伴隨著電阻的增大和電阻溫度系數(shù)的減小，即使是在低導電性溶劑中加人高導電性溶質也是如此，但電阻隨成分平穩(wěn)地連續(xù)變化而不發(fā)生突變。在連續(xù)固溶體的情況下，當組元A添加于組元B時電阻逐漸增大，通過一個慢坡的極大值后減小到B組元的電阻值。4.1.4 固溶體的導電性第45頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四Ag-Cu合金電阻率與成分的關系第46頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四考慮到純組元原子半徑差所引起的晶體點陣畸變增加著電子的散射，固

21、溶體電阻總是大于純金屬電阻這一事實是理所當然的，且原子半徑差越大，固溶體電阻也越大。但是，點畸陣變不是固溶體電阻增大的唯一原因。第47頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四第三，合金化常常影響彈性常數(shù)，因而點陣振動的聲子譜也要改變，這些因素都要反映到電阻上來。合金化對電阻的影響：首先，雜質是對除聲子擾動外所有其他方面部完善的理想晶體局部的破壞；其次，合金化對能帶結構起作用，移動費米面并且改變電子能態(tài)的密度和導電電子的有效數(shù)，其影響往往是金屬電阻的參數(shù)；第48頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 簡單金屬固溶體電阻的極大值通常位于二元系的50(at)濃度處，

22、但鐵磁金屬和強順磁金屬固溶體的最大電阻可能不在50(at)濃度處。貴金屬(Cu，Ag，Au)與過渡族金屬組成固溶體時電阻非常的高。這是因為價電子轉移到過渡族金屬內較深而末填滿的d-或f-殼層中，造成導電電子數(shù)目減少的緣故。電子的這種轉移應看成固溶體組元化學作用的加強，固溶體電阻隨成分急劇增大可以作為個證明。第49頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四CuPd、AgPd和AuPd合金電組率與成分的關系第50頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四當元素形成金屬間化合物時。合分性能(包括電學性能)變化最為激烈，這是由于存在金屬鍵的同時還存在部分離子鍵和共價鍵，使結

23、合性質激烈變化。此外，晶體結構的變化也起著重要的作用。已知的金屬只有幾十種，而它們形成了幾千種二元、三元以及更復雜的金屬化合物，且新發(fā)現(xiàn)化合物的數(shù)量還在不斷增加。由于金屬間化合物可以看成是一種新的物質，研究各種因素對其比電阻的影響引起了頗大的興趣。金屬間化合物第51頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四化合物在許多金屬系統(tǒng)中往往在原始組元的一定濃度區(qū)形成?；衔锏木w結構不同于組元及其固溶體的結構.在二元系中常遇到 一系列中間相，它們有的在相圖的液相線和固相線上有顯露的極大值，有的則按包晶反應形成. 第52頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四4.1. 5

24、導電材料與電阻材料 導電材料是以傳送電流為主要目的的材料。對于像電力工業(yè)這樣的強電應用的導電材料，主要有銅、鋁及其合金。而像電子工業(yè)這樣的弱電應用的導電材料則除了銅、鋁之外，還常用金、銀等。 第53頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四電阻材料的主要目的是給電路提供一定的電阻。作為精密電阻材料的以銅鎳合金為代表，如康銅（Cu-40%Ni-1.5%Mn）。銅鎳合金的電阻率隨著成分的變化而連續(xù)變化，在含鎳為40wt%左右具有最大的電阻率、最小的溫度系數(shù)、最大的熱電勢。 第54頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四電熱合金的使用溫度非常高。對于使用溫度為90013

25、50的電熱合金，常用鎳鉻合金。當使用溫度更高時，一般的電熱合金不是會發(fā)生熔化，就是會發(fā)生氧化。此時需要采用陶瓷電熱材料。常見的陶瓷電熱材料有碳化硅（SiC）、二硅化鉬（MoSi2）、鉻酸鑭（LaCrO3）和二氧化錫（SnO2）等。 第55頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四4.2.1 超導電性的發(fā)現(xiàn)與進展水銀電阻與絕對溫度的關系1911年翁納斯(Onnes)從實驗中發(fā)現(xiàn)水銀的電阻在4.2K附近突然降到他無法測量的程度.第56頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四這是他首先液化了氦氣，在達到4.2K低溫的三年后觀察到的一個重要現(xiàn)象。在這之后人們又發(fā)現(xiàn)了許多金

26、屬和合金，當試樣冷卻到足夠低的溫度(往往在液氮溫區(qū))時電阻率突然降到零。這種在一定低溫條件下金屬電阻突然失去的現(xiàn)象稱為超導電性。發(fā)生這一現(xiàn)象的溫度稱為臨界溫度，以Tc表示。第57頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四金屬失去電阻的狀態(tài)稱為超導態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)或常導態(tài)。由于超導態(tài)的電阻小于目前所能測量的最小值(10-25 )，因此可以認為超導態(tài)沒有電阻。第58頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 既然在超導態(tài)下直流電阻率是零或接近子零。以致觀察到持續(xù)電流無衰減地在超導環(huán)內流動達一年以上，直到最后實驗考感到厭倦。法勒(File)和邁爾斯(Mills

27、)利用精確核磁共振方法，測量超導電流產生的磁場來研究螺線管內超導電流的衰變他們得出的結論是超導電流衰變的時間不短于十萬年。第59頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四超導體中有電流沒有電阻說明超導體是等電位的，即超導體內沒有電場。第60頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 超導電性出現(xiàn)在周期表內許多金屬元素中，也出現(xiàn)在合金、金屬間化合物、半導體以及氧化物陶瓷中.從人們得到轉變溫度最高的材料是NbGe3，其Tc也只有23.2K。到1986年貝諾茲和穆勒在鑭鋇銅氧化物(LaBaCuO系)中發(fā)現(xiàn)Tc高達35K的超導轉變，打破了超導研究領域幾十年來沉悶的局面，在全

28、世界刮起了一股突破超導材料技術的旋風。他們也因此獲得了1988年度諾貝爾物理獎。第61頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四1987年日、美等國和我國學者接連報導獲得臨界溫度更高的超導材料：Y-Ba-Cu-O系(90K)，Ba-Sr-Ca-Cu-O系(110K)，Ti-Ba-Ca-Cu-O系(120K)，使超導技術從液氮溫區(qū)步人液氮溫區(qū)以至接近常溫.這些研究成果使超導材料正在邁人實用化階段。如果在常溫下實現(xiàn)超導，那么電力貯存裝置、無損耗直流送電、強大的電磁鐵、超導發(fā)電機等理想將成為現(xiàn)實，則將引起電子元件和能源領域一場革命。有人認為，就人類歷史而言超導的成就可以與鐵器的發(fā)明相媲

29、美。 第62頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在另一方面，超導體所顯示的磁學性能同它們的電學性能同樣地引人注目。超導體的特性表明，完全從電阻率為零這一假設出發(fā)不能解釋磁學性能.一個實驗事實是：大塊超導體在弱磁場中的表現(xiàn)有如一個理想抗磁體，在它的內部磁感應強度為零.如果把試樣放到磁場中，然后冷卻到超導轉變溫度以下，原來存在試樣中的磁通就要從試樣中被排出，這個現(xiàn)象稱為邁斯納效應。4.2.2 邁斯納效應第63頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四圖5.5.2 在恒定外磁場中冷卻的超導球內，當過渡到臨界溫度以下時磁通被排斥的情況 (a)正常態(tài)；(b)超導態(tài)邁斯納

30、效應第64頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四邁斯納效應的發(fā)現(xiàn)表明，完全抗磁性是超導態(tài)的基本性質。如前所述，我們把理想導體定義為在它里面不存在任何散射電子機制的一種導體。如果把理想導體放置到磁場中，它將不能產生永久的渦流屏蔽，這也是超導體與理想導體之間存在的另一差別。超導體與理想導體之間的差別第65頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四零電阻現(xiàn)象和完全逆磁性 人們最早發(fā)現(xiàn)的超導態(tài)的電磁特性就是它的電阻等于零。很自然地把超導體想像成電導率為無限大的完全導體，這樣有可能在沒有電場的條件維持穩(wěn)恒的電流密度?？墒?，按照麥克斯韋方程； 超導體的磁感應強度應由初條件決

31、定。 第66頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四超導現(xiàn)象的存在雖然相當普遍，但對許多金屬而言在所做過的溫度最低(一般遠低于1K)的測量中都未發(fā)現(xiàn)超導電性.對于Li、Na和K曾分別降溫至0.08K、0.09K和0.08K研究其超導電性，但這時它們仍然是正常導體。同樣地，對于Cu、Ag和Au降溫至0.05K、0.35K和0.05K研究，它們也仍然是正常導體。曾有理論計算預示，Na和K即使能成為超導體，它們的臨界溫度也將遠低于10-5 K.以上都是指材料處于大氣壓下的情形。4.2.3 溫度、壓力和磁場的影響第67頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四壓力對超導電

32、性的出現(xiàn)也有影響。如Cs在1.1x1010 Pa壓力下經過幾次相變之后成為超導體(Tc1.5K).第68頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四化合物超導臨界溫度舉例超導體電阻和溫度的關系第69頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四足夠強的磁場和電流密度都將會破壞超導電性。為破壞超導電性所需的磁場臨界值用Hc表示，它是溫度的函數(shù)。在臨界溫度Tc下的臨界磁場Hc0。臨界磁場對于大多數(shù)元素金屬超導體，BC隨溫度T的變化，近似寫成拋物線關系：第70頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四臨界值曲線把位于圖左下方的超導態(tài)和右上方的正常態(tài)隔開。超導體臨界

33、場與溫度的關系第71頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 圖5.5.5 超導體的磁化曲線(a)第一類超導價(b)第二類超導體4.2.4兩類超導體第72頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四根據邁斯納效應，一塊大超導體在外加的磁場H中其行為如同試樣內部B0一樣.如果限于考慮細長的試樣，且其長軸平行于H，則此時可以忽略退磁場對B（磁通量）的影響，因而有或這類超導體的Hc值一般總是過低，作為超導磁體的線圈沒有什么應用價值。第1類超導體第73頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四第2類超導體大都是合金，或者是在正常態(tài)具有高電阻率的過渡族金屬，即在

34、正常態(tài)下平均自由程較短。第2類超導體第2類超導體存在著兩個臨界磁場:Hc1為下臨界場和Hc2為上臨界場。它們一直到場強為Hc2時都具有超導電性。第74頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四在下臨界場Hc1和上臨界場Hc2之間，磁通密度B0。這時邁斯納效應是不完全的。Hc2值可以是超導轉變熱力學計算值Hc的100倍或更高。在Hc1、和Hc2之間的場強區(qū)間內物體的一部分區(qū)域為磁通所貫穿屬于正常區(qū)，它的周圍是超導區(qū)，但仍然保持零電阻特性,這時超導體稱為處于渦旋態(tài)或混合態(tài)。當外場H增大到Hc2時，正常區(qū)數(shù)目增多到彼此相接，整個物體進入正常態(tài)。NbAlGe的一個合金在液氦的沸點溫度下H

35、C2場強達32.6x106Am-1第75頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四當外磁場H0介于HC1和HC2之間時，第二類超導體處于混合態(tài)這時體內有磁感應線穿過，形成許多半徑很小的圓柱形正常區(qū)，正常區(qū)周圍是連通的超導區(qū)整個樣品的周界仍有逆磁電流。這樣，第二類超導體在混合態(tài)，既具有逆磁性(但B0)，又仍然沒有電阻。當外磁場增加時，每個圓柱形的正常區(qū)并不擴大，而是增加正常區(qū)的數(shù)目。達到上臨界磁場HC2時，相鄰的圓柱體彼此接觸，超導區(qū)消失，整個金屬都變成正常態(tài)。 第76頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四 超導的微觀物理本質終于在超導現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后的46年，即195

36、7年由巴丁(Bardeen)、庫柏(cooper)和施瑞弗(Sheriffer)等人揭露，簡稱為BCS理論。 4.2.5 超導現(xiàn)象的物理本質第77頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四這個理論認為，超導現(xiàn)象產生的原因是出于超導體中的電子在超導態(tài)時，電子之間存在著特殊的吸引力，而不是正常態(tài)時電子之間的靜電斥力。這種吸引力使電子雙雙結成電子對，它是超導態(tài)電子與晶格點陣間相互作用產生的結果。 第78頁，共88頁，2022年，5月20日，4點25分，星期四當超導體內處于超導態(tài)的某一電子e1在晶體中運動時，它周圍的正離子點陣將被這個電子吸引向其靠攏以降低靜電能，從而使此局部區(qū)域的正電荷密度增加，而這個帶正電的區(qū)域又會對臨近電子e2產生吸引力，正是由于這種吸引力克服了靜電斥力，使動量和自旋方向相反的兩個電子e1,e2，結成了電子對，稱為庫柏電子對。 第79頁，共88