讲座 超导体的电磁性质
—— 超导现象及其实验事实
?零电阻现象
?完全抗磁性 —— 迈斯纳效应
?临界磁场和临界电流
?同位素效应
?约瑟夫森效应
?各种超导材料简介
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
超导现象的发现和研究
? 自 1911 年 卡 末 林, 昂尼斯 （ Kamer lingh
Onnes） 首次发现超导电现象起直至今日,
超导电性问题引起了人们极大的兴趣, 一
门新兴的物理学科 —— 超导物理学由此诞
生 。 90年多来, 该领域的研究获得了一次
又一次的重大进展, 有多项研究成果获诺
贝尔物理学奖 。 超导发展大致经历了以下
三个阶段：
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
人类对超导电性的基本探索和认
识阶段 1911年 —— 1957年
? 昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研
究而获 1913年诺贝尔物理学奖
? 超导微观理论 —— BCS 理论（ 1957年）
? 巴丁（ J.Bardeen）
? 库柏 (L.N.Cooper)
? 施瑞弗（ J.R.Schrieffer）
? 获 1972年诺贝尔物理学奖
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
人类对超导技术应用的准备阶段
1958年 —— 1986年
? 在本世纪 60年代达到高峰, 主要有四大方面发展
? 实用超导材料的发展；
? 超导电子器件的发展；
? 大量技术应用的实验室初探；
? 千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料
? 1962年约瑟夫森 （ Josephson） 发现的超导电子
对隧道效应 —— 约瑟夫森效应使他与江崎玲於内
（ Leo Esaki） 贾埃沃 （ Ivar.Giaever） 分享了
1973年的诺贝尔物理学奖 —— 超导电子学 （ 超导
量子电子学 ） 兴起
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
发现了高温铜氧化物超导体, 揭开了人类
对超导技术的开发的序幕 1985年 ——
? 已故超导材料权威 Matthias曾讲过：“如能
在常温下，例如 300 K左右实现超导电性，则
现代文明的一切技术都将发生变化。”
? 贝德诺兹 （ Bednorz） 和缪勒 （ Muller） 因此
获得了 1987年的诺贝尔物理学奖 。
? 人们公认, 室温超导电材料, 和, 高温超导
理论, 是诺贝尔奖级的问题
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
零电阻现象
? 低温的实现是研究超导的基础
? 1895年, 永久气体, （ 空气 ） 被液化, 液化
点 -192oC—— 81.15oK；
? 1895年 在大气中发现氦气；
? 1898年 杜瓦 （ Dewar） 氢气液化, 液化点 -
253oC—— 20.15oK
? 1908年, 由卡 末 林,昂尼斯 （ Kamer lingh
Onnes） 领导的荷兰莱登实验室完成了氦气
液化的实验, 液化点 -268oC— 4.25oK
? 此后, 莱登实验室利用减压降温法获得了
4.25oK— 1.15oK的低温
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
零电阻现象
? 物质在低温下会出现什么现象？
? 1911年卡末林,昂尼斯发现，在
4.2oK下,Hg电阻突然消失
? 4.2oK下, 汞电阻比从 1/500下降到
<10-6,这个下降是突然的
? 莱登实验室估计, 1.5oK下, 汞电
阻比 <10-9
? 昂尼斯指出,在 4.2oK以下, 汞进
入了一个新的物态, 在这新物态
中汞的电阻实际上为零
? 现代超导重力仪的观测表明, 超
导态即使有电阻也必定小于 10-28,
远远小于正常金属迄今所能达到
的最低电阻率 —— 零电阻现象 。 纵坐标为电阻比, 横坐标为温度
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
各种名词
? 超导态,显示出超导电性质的物质状态
? 超导体：具有上述超导特性的物体
? 超导转变温度 （ 临界温度 ）,
? 物质在低温下, 其电阻突然转变为零的温度, 用 TC表
示, TC也叫转变温度 。 温度高于 TC,超导体和一般金
属一样有电阻, 称为 正常态
? 实验发现除了汞外有几十种元素, 数千种合金和
化合物都具有超导性 。 但在超导体发现以后的漫
长时期内, 所发现的超导材料的临界温度都比较
低, 分布在 23.2K—— 0.02K之间
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
完全抗磁性 —— 迈斯纳效应
? 1933年由 Meissner和 Oshsenfeld发现，超导体一
旦进入超导态，体内磁通量将全部被排除出体外。
磁感应强度恒等于零 —— 迈斯纳效应。
? 在超导体发现后的 20多年中，人们一直把超导体
的磁性归结为超导体的完全导电性的结果，即把
超导体看成仅仅是电阻为零的理想导体
? 迈斯纳效应展示了 超导体 与 理想导体 完全不同的
磁性质，使人们对超导体有了全新的认识 —— 迈
斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本
性质
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
理想导体和超导体的区别
? 理想导体 0?? ??? 0＝
iEE ??
?? ?j
? 理想导体内不可能存在电场
? 理想导体内也不可能存在随
时间变化的磁场 0???????? iit EB
t?
????? BE?又
? 由理想导体的性质可以推想超导体应具有以
下特点：
? B应由初始条件 （ 或实验过程 ） 决定, 理想导体中不可
能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也
不能增加 。 （ 对否？ ）
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
设想比较两个实验
? 实验一：金属球经历下图过程
理想导体
磁通不变，
内无磁场
? 实验二,改变次序
内部
应有
磁场
结论：
理想导体内部是否存在磁力
线以及如何分布与降温及加
外磁场的先后顺序有关，即
与它们的历史经历有关。
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
实际的 超导体 是否就是 理想导体 呢？
? 1933年由 Meissner和 Oshsenfeld对围绕球形导体
（单晶锡）进行了测量
? 只要 T<Tc,在超导体内部 B不仅恒定不变, 而且 恒定
为零, 即 B=0
? 结论与降温及加外磁场的先后顺序无关, 即与它们的
历史经历无关 。
? 磁力线似乎一下子被推斥到超导体外 。
? 对超导体, 上述第二个实验应为如下结果 超导体不
仅仅是理
想导体，
还具有完
全抗磁性
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
结论：
? 超导体不仅仅是电阻为零的理想导体
? 理想导体：所经历的过程不同，磁化状态不同
? 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关
? T>TC或 B>BC,介质处于正常态，磁场会穿透介质
? T<TC或 B<BC,呈超导态，磁场被完全排出介质
? 超导体内永远 B=0—— 完全抗磁性
? 迈斯纳效应 是独立于零电阻效应的另一种基本
性质。
? 迈斯纳效应实际上成为判断真伪超导的依据
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
超导体的完全抗磁性的第一种解释
? 把超导体当作磁介质,它具有特殊磁性
HMMHB m ????? ??? ???,00
1,,0 ????? mHMB ???? 则，超导体内
完全抗磁性
? 由于内部,M?0,超导体
表面有磁化电流，
? 磁化电流产生的磁场与外
磁场相抵消，内部没有磁
场
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
超导体的完全抗磁性的第二种解释
? 把超导体看成是一种完全没有磁性、根本不存在磁
化的物体 即认为超导体的 M=0或 ?r=1
? 但是在外磁场的影响下，超导体表面层会出现某种
面分布的传导电流 —— 屏蔽电流
? 传导电流的屏蔽作用使超导体内部的合磁场为零,
导致完全抗磁性, 实验证实屏蔽电流存在 。
? 上述两种观点都指出,超导体表面有面电流，完全
抗磁性起源于这种面电流,实际上第一种解释是一
种有用的形式模型，由于超导体的零电阻效应，不
论是磁化电流还是传导电流，均无焦耳热损耗，所
以两种观点是完全等价的
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
磁悬浮
实验
? 现象：在锡盘上放臵一条永久磁铁,
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
? 解释：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 。
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
临界磁场和临界电流
? 超导体的零电阻特性，使人自然想到可以实
现以下几点
? 超导回路中的电流持续，即在超导回路中一旦形
成，便无需外电源就能持续几年仍观测不到衰减
? 利用超导体制成的导线传输非常大的电流
? 利用超导体制成的线圈来产生非常强的磁场
? 但 1914年，昂尼斯发现，当超导体中电流太
大或将超导体臵于太强的磁场中时，超导性
遭到破坏，即导体将从超导态回到正常态
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
实验表明
? 每一种处在超导态的导
体材料，当其中的电流
超过某一临界值或超导
体所在处的磁场的磁感
应强度超过某一临界值
时，超导性都会破坏
超导态 临界值 正常态
CT CI CB
临界温度 临界电流 临界磁场
三个临界值
之间有一定
关系
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
临界磁场与温度的关系
?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
??
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??
2
0 1
C
C T
TBB
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??
2
0 1
C
C T
TII
图中, 曲线把 B-T平面划分为
两个区域, 正常态和超导态,
从超导态到正常态的变化可以
通过改变温度来实现, 也可通
过改变磁场来实现 。 在曲线上,
发生从正常态到超导态的可逆
变化 。
是 T=0 K时的
临界磁场
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
同位素效应
? 1950年科学家在用水银的不同的同位素作
实验时发现了同位素效应，即临界温度与
同位素的质量相关
12
cTM
?? cTM ??
不总是 -1/2
水银
其它超导
元素? 同位素原子量越小,Tc越高
? 作用：为探明超导转变的微观机制提
供了一条重要的线索。
? 为什么这么说？
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
同位素效应暗示了什么？
? 金属是由晶格粒子 (原子实 )与共有化的电子组成，
在它们之间概括讲有三大类相互作用
? 晶格 — 电子相互作用；
? 电子 — 电子相互作用,
? 晶格 — 晶格相互作用,
? 声子：描述晶格振动的能量子
? 究竟是哪一种相互作用促使金属发生超导转变呢?
? 从同位素效应可以看出 Tc受原子质量的影响
? 原子质量 M的不同无疑会使晶格运动性质不同
? 暗示晶格 — 电子相互作用必定在超导转变中起关键
作用
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
电 — 声子作用是超导电性的根源
? 原子质量无穷大，晶格粒子不可能运动，它不会
振动，便无超导特性．这给我们以启示
? 超导特性与原子晶格的振动及形变有关
? 同位素效应明确告诉我们,电 — 声子作用是超导
电性的根源
? 同位素效应是微观理论第一次成功地预言了超导
效应，对电 — 声子作用的深人探索产生了著名的
BCS理论,
cTM
?? M ?? 0
cT ?
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
约瑟夫森效应
? 磁通量子化
? 超导体所包含的任何磁通量只能是 基本量子单
位 的整数倍 —— 超导态的磁通量子化现象
? 最初由伦敦（ 1950年）和昂色格（ 1954年）从
理论上预言
? 1961年由迪费实验验证
? 约瑟夫森效应
? 1962年由 Josephson从理论上预言
? 后为安德森等在实验上所证实
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
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2005.5 北京大学物理学院王稼军编
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
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—— 超导现象及其实验事实
?零电阻现象
?完全抗磁性 —— 迈斯纳效应
?临界磁场和临界电流
?同位素效应
?约瑟夫森效应
?各种超导材料简介
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
超导现象的发现和研究
? 自 1911 年 卡 末 林, 昂尼斯 （ Kamer lingh
Onnes） 首次发现超导电现象起直至今日,
超导电性问题引起了人们极大的兴趣, 一
门新兴的物理学科 —— 超导物理学由此诞
生 。 90年多来, 该领域的研究获得了一次
又一次的重大进展, 有多项研究成果获诺
贝尔物理学奖 。 超导发展大致经历了以下
三个阶段：
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
人类对超导电性的基本探索和认
识阶段 1911年 —— 1957年
? 昂尼斯因在低温的获得和低温下物性的研
究而获 1913年诺贝尔物理学奖
? 超导微观理论 —— BCS 理论（ 1957年）
? 巴丁（ J.Bardeen）
? 库柏 (L.N.Cooper)
? 施瑞弗（ J.R.Schrieffer）
? 获 1972年诺贝尔物理学奖
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
人类对超导技术应用的准备阶段
1958年 —— 1986年
? 在本世纪 60年代达到高峰, 主要有四大方面发展
? 实用超导材料的发展；
? 超导电子器件的发展；
? 大量技术应用的实验室初探；
? 千方百计寻找超导转变温度高的新超导材料
? 1962年约瑟夫森 （ Josephson） 发现的超导电子
对隧道效应 —— 约瑟夫森效应使他与江崎玲於内
（ Leo Esaki） 贾埃沃 （ Ivar.Giaever） 分享了
1973年的诺贝尔物理学奖 —— 超导电子学 （ 超导
量子电子学 ） 兴起
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
发现了高温铜氧化物超导体, 揭开了人类
对超导技术的开发的序幕 1985年 ——
? 已故超导材料权威 Matthias曾讲过：“如能
在常温下，例如 300 K左右实现超导电性，则
现代文明的一切技术都将发生变化。”
? 贝德诺兹 （ Bednorz） 和缪勒 （ Muller） 因此
获得了 1987年的诺贝尔物理学奖 。
? 人们公认, 室温超导电材料, 和, 高温超导
理论, 是诺贝尔奖级的问题
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
零电阻现象
? 低温的实现是研究超导的基础
? 1895年, 永久气体, （ 空气 ） 被液化, 液化
点 -192oC—— 81.15oK；
? 1895年 在大气中发现氦气；
? 1898年 杜瓦 （ Dewar） 氢气液化, 液化点 -
253oC—— 20.15oK
? 1908年, 由卡 末 林,昂尼斯 （ Kamer lingh
Onnes） 领导的荷兰莱登实验室完成了氦气
液化的实验, 液化点 -268oC— 4.25oK
? 此后, 莱登实验室利用减压降温法获得了
4.25oK— 1.15oK的低温
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
零电阻现象
? 物质在低温下会出现什么现象？
? 1911年卡末林,昂尼斯发现，在
4.2oK下,Hg电阻突然消失
? 4.2oK下, 汞电阻比从 1/500下降到
<10-6,这个下降是突然的
? 莱登实验室估计, 1.5oK下, 汞电
阻比 <10-9
? 昂尼斯指出,在 4.2oK以下, 汞进
入了一个新的物态, 在这新物态
中汞的电阻实际上为零
? 现代超导重力仪的观测表明, 超
导态即使有电阻也必定小于 10-28,
远远小于正常金属迄今所能达到
的最低电阻率 —— 零电阻现象 。 纵坐标为电阻比, 横坐标为温度
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
各种名词
? 超导态,显示出超导电性质的物质状态
? 超导体：具有上述超导特性的物体
? 超导转变温度 （ 临界温度 ）,
? 物质在低温下, 其电阻突然转变为零的温度, 用 TC表
示, TC也叫转变温度 。 温度高于 TC,超导体和一般金
属一样有电阻, 称为 正常态
? 实验发现除了汞外有几十种元素, 数千种合金和
化合物都具有超导性 。 但在超导体发现以后的漫
长时期内, 所发现的超导材料的临界温度都比较
低, 分布在 23.2K—— 0.02K之间
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
完全抗磁性 —— 迈斯纳效应
? 1933年由 Meissner和 Oshsenfeld发现，超导体一
旦进入超导态，体内磁通量将全部被排除出体外。
磁感应强度恒等于零 —— 迈斯纳效应。
? 在超导体发现后的 20多年中，人们一直把超导体
的磁性归结为超导体的完全导电性的结果，即把
超导体看成仅仅是电阻为零的理想导体
? 迈斯纳效应展示了 超导体 与 理想导体 完全不同的
磁性质，使人们对超导体有了全新的认识 —— 迈
斯纳效应和零电阻现象是超导体两个独立的基本
性质
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
理想导体和超导体的区别
? 理想导体 0?? ??? 0＝
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? 理想导体内不可能存在电场
? 理想导体内也不可能存在随
时间变化的磁场 0???????? iit EB
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? 由理想导体的性质可以推想超导体应具有以
下特点：
? B应由初始条件 （ 或实验过程 ） 决定, 理想导体中不可
能有随时间变化的磁场即内部原有的磁通既不能减少也
不能增加 。 （ 对否？ ）
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
设想比较两个实验
? 实验一：金属球经历下图过程
理想导体
磁通不变，
内无磁场
? 实验二,改变次序
内部
应有
磁场
结论：
理想导体内部是否存在磁力
线以及如何分布与降温及加
外磁场的先后顺序有关，即
与它们的历史经历有关。
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
实际的 超导体 是否就是 理想导体 呢？
? 1933年由 Meissner和 Oshsenfeld对围绕球形导体
（单晶锡）进行了测量
? 只要 T<Tc,在超导体内部 B不仅恒定不变, 而且 恒定
为零, 即 B=0
? 结论与降温及加外磁场的先后顺序无关, 即与它们的
历史经历无关 。
? 磁力线似乎一下子被推斥到超导体外 。
? 对超导体, 上述第二个实验应为如下结果 超导体不
仅仅是理
想导体，
还具有完
全抗磁性
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
结论：
? 超导体不仅仅是电阻为零的理想导体
? 理想导体：所经历的过程不同，磁化状态不同
? 超导体：磁场中的行为与加磁场的次序无关
? T>TC或 B>BC,介质处于正常态，磁场会穿透介质
? T<TC或 B<BC,呈超导态，磁场被完全排出介质
? 超导体内永远 B=0—— 完全抗磁性
? 迈斯纳效应 是独立于零电阻效应的另一种基本
性质。
? 迈斯纳效应实际上成为判断真伪超导的依据
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
超导体的完全抗磁性的第一种解释
? 把超导体当作磁介质,它具有特殊磁性
HMMHB m ????? ??? ???,00
1,,0 ????? mHMB ???? 则，超导体内
完全抗磁性
? 由于内部,M?0,超导体
表面有磁化电流，
? 磁化电流产生的磁场与外
磁场相抵消，内部没有磁
场
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
超导体的完全抗磁性的第二种解释
? 把超导体看成是一种完全没有磁性、根本不存在磁
化的物体 即认为超导体的 M=0或 ?r=1
? 但是在外磁场的影响下，超导体表面层会出现某种
面分布的传导电流 —— 屏蔽电流
? 传导电流的屏蔽作用使超导体内部的合磁场为零,
导致完全抗磁性, 实验证实屏蔽电流存在 。
? 上述两种观点都指出,超导体表面有面电流，完全
抗磁性起源于这种面电流,实际上第一种解释是一
种有用的形式模型，由于超导体的零电阻效应，不
论是磁化电流还是传导电流，均无焦耳热损耗，所
以两种观点是完全等价的
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
磁悬浮
实验
? 现象：在锡盘上放臵一条永久磁铁,
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
? 解释：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 。
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
临界磁场和临界电流
? 超导体的零电阻特性，使人自然想到可以实
现以下几点
? 超导回路中的电流持续，即在超导回路中一旦形
成，便无需外电源就能持续几年仍观测不到衰减
? 利用超导体制成的导线传输非常大的电流
? 利用超导体制成的线圈来产生非常强的磁场
? 但 1914年，昂尼斯发现，当超导体中电流太
大或将超导体臵于太强的磁场中时，超导性
遭到破坏，即导体将从超导态回到正常态
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
实验表明
? 每一种处在超导态的导
体材料，当其中的电流
超过某一临界值或超导
体所在处的磁场的磁感
应强度超过某一临界值
时，超导性都会破坏
超导态 临界值 正常态
CT CI CB
临界温度 临界电流 临界磁场
三个临界值
之间有一定
关系
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
临界磁场与温度的关系
?
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TII
图中, 曲线把 B-T平面划分为
两个区域, 正常态和超导态,
从超导态到正常态的变化可以
通过改变温度来实现, 也可通
过改变磁场来实现 。 在曲线上,
发生从正常态到超导态的可逆
变化 。
是 T=0 K时的
临界磁场
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
同位素效应
? 1950年科学家在用水银的不同的同位素作
实验时发现了同位素效应，即临界温度与
同位素的质量相关
12
cTM
?? cTM ??
不总是 -1/2
水银
其它超导
元素? 同位素原子量越小,Tc越高
? 作用：为探明超导转变的微观机制提
供了一条重要的线索。
? 为什么这么说？
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
同位素效应暗示了什么？
? 金属是由晶格粒子 (原子实 )与共有化的电子组成，
在它们之间概括讲有三大类相互作用
? 晶格 — 电子相互作用；
? 电子 — 电子相互作用,
? 晶格 — 晶格相互作用,
? 声子：描述晶格振动的能量子
? 究竟是哪一种相互作用促使金属发生超导转变呢?
? 从同位素效应可以看出 Tc受原子质量的影响
? 原子质量 M的不同无疑会使晶格运动性质不同
? 暗示晶格 — 电子相互作用必定在超导转变中起关键
作用
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
电 — 声子作用是超导电性的根源
? 原子质量无穷大，晶格粒子不可能运动，它不会
振动，便无超导特性．这给我们以启示
? 超导特性与原子晶格的振动及形变有关
? 同位素效应明确告诉我们,电 — 声子作用是超导
电性的根源
? 同位素效应是微观理论第一次成功地预言了超导
效应，对电 — 声子作用的深人探索产生了著名的
BCS理论,
cTM
?? M ?? 0
cT ?
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
约瑟夫森效应
? 磁通量子化
? 超导体所包含的任何磁通量只能是 基本量子单
位 的整数倍 —— 超导态的磁通量子化现象
? 最初由伦敦（ 1950年）和昂色格（ 1954年）从
理论上预言
? 1961年由迪费实验验证
? 约瑟夫森效应
? 1962年由 Josephson从理论上预言
? 后为安德森等在实验上所证实
2005.5 北京大学物理学院王稼军编
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