超导体的主要特征：结构、性质与应用

1.零电阻率

这里介绍著名的持续电流实验，如图2-2所示。将一超导圆环放入磁场中，并冷却到临界温度以下。当磁场突然撤去时，在超导环中产生感应电流，感生电流可以持续好几年而没有观察到电流的衰减。这是一个完全理想的导体，即超导体。该试验证实了超导体具有零电阻的特征。

图2-2 持续电流实验

a）T＞Tc在超导环上加磁场 b）T＜Tc超导环转变为超导态 c）突然撤去外磁场，超导环中产生持续电流

2.完全抗磁性

1933年迈斯纳发现超导体具有完全抗磁性，这种基本特征也称为迈斯纳效应，这时超导体内的磁感应强度B为0，如图2-3所示。

图2-3 超导体的完全抗磁效应

a）正常态时磁场的分布 b）超导时磁场的分布

如图2-4所示，一个简单的实验如下：

将一长圆柱形超导体表面上，绕一探测线圈，沿样品的轴线加上磁场，于是磁通量突然增加，在线圈中出现瞬时电流，检流计指针正方向转过一个角度α，然后慢慢冷却样品，当温度经过临界温度时，检流计的指针突然出现一个反方向的偏转，偏转角与α相等。在这以后，无论撤去磁场或增加磁场，电流指针都没有丝毫的偏转，根据电磁感应定律，以上试验说明，在样品进入超导态的瞬间，穿过样品的磁通量突然全部排除出去，于是探测线圈上出现了一个与当初加上磁场时大小相等、方向相反的瞬时电流。这以后的试验表明，只要样品处于超导态，它始终保持内部的磁场为零，外部磁力线统统排斥之外，超导体是一个理想的抗磁体。

图2-4 超导体的完全抗磁性实验示意图(www.xing528.com)

3.临界磁场

超导态不仅和导体的温度有关，还和外磁场的强度有关（见图2-5）。实验表明，如果不断地增加外加磁场强度，则当磁场强度超过某一值时，超导体就从超导态变为正常态，而失去超导电性，此时磁场强度称为临界磁场强度，记作H_c，对一定物质来讲，H_c的值是随温度的降低而升高的，并有下列近似关系：

式中 H_c—T=0K时的临界磁场强度，即临界磁场的最大值。

图2-5 临界磁场与温度的关系

此外，当通过超导体的电流达到一定数值时，所产生的磁场也可以使超导态破坏，这时电流，称为临界电流I_c，I_c随温度和外加磁场的增加而减少。单位面积承载的I_c称为临界电流密度。

4.同位素效应

超导体的临界温度与同位素的质量有关，若质量越大，则临界温度越低，临界温度与超导元素的同位素质量的二次方成反比，这叫同位素效应：

T_cm^α=K

式中 m——同位素质量；

K——常数；

α——大多数超导体如汞、锡、铅约为0.5，个别α→0或α>0.5。