材料的傳導(dǎo)性精品課件

1、材料的傳導(dǎo)性第1頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料等都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)的。 4.1 導(dǎo)電性 第2頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四舉例： 長距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線應(yīng)該具有很高的導(dǎo)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(dǎo)電性，以防止產(chǎn)生短路或電弧。 作為太陽能電池的半導(dǎo)體對其導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四能夠攜帶電荷的粒子稱為載流子。 在金屬、半導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四控制材料的導(dǎo)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(dǎo)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(jié)合鍵、晶體點(diǎn)陣的完整性、微結(jié)構(gòu)以及離子化合物中的擴(kuò)散速率。 第5頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四部分材料的電導(dǎo)率 材料電子結(jié)構(gòu)電導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四經(jīng)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(diǎn)25分，星期四經(jīng)典自由電子理論金屬是由原子點(diǎn)陣組成的，價電子是完全自由的，可以在整個金屬中自由運(yùn)動自由電子的運(yùn)動遵守經(jīng)典力學(xué)的運(yùn)動規(guī)律，遵守氣體分子運(yùn)動論。這些電子在一般情況下可沿所有方向運(yùn)動 等 這些電子在一般情況下可沿所有方向運(yùn)動。在電場作用下自由電子將沿電場

4、的反方向運(yùn)動，從而在金屬中產(chǎn)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(diǎn)25分，星期四成功：困難：可以推導(dǎo)出歐姆定律、焦?fàn)?楞次定律等 一價金屬和二價金屬的導(dǎo)電問題 電子比熱 問題根源在于它是立足于牛頓力學(xué)第9頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四一價金屬和二價金屬的導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)電導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四電子比熱問題 按照經(jīng)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(jié)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(diǎn)25分，星期四經(jīng)典自由電子論的問題根源在于它是立足于牛頓力學(xué)的，而對微觀粒子的運(yùn)動問

6、題，需要利用量子力學(xué)的概念來解決。第12頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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(nèi)自由地運(yùn)動，電子之間沒有相互作用。電子運(yùn)動服從量子力學(xué)原理 。第13頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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?jīng)]有別的電子占據(jù)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(jīng)有別的電子占據(jù)著。這樣，熱激發(fā)的電子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于總的價電子數(shù)，所以用量子自由電子論推導(dǎo)出的比

7、熱可以解釋實驗結(jié)果。而經(jīng)典自由電子論認(rèn)為所有電子都有可能被熱激發(fā)，因而計算出的熱容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實驗值。 第14頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四自由電子近似的問題在于認(rèn)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(jié)構(gòu)以及結(jié)合力等一些問題。 第15頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四能帶理論則是在量子自由電子論的基礎(chǔ)上，考慮了離子所造成的周期性勢場的存在，從而導(dǎo)出了電子在金屬中的分布特點(diǎn)，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(diǎn)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(yùn)動，到不連續(xù)能量分布的價電子在均

8、勻勢場中的運(yùn)動，再到不連續(xù)能量分布的價電子在周期性勢場中的運(yùn)動，分別是經(jīng)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(dǎo)電性理論的主要特征。 第17頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四溫度是強(qiáng)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(diǎn)陣振動特征和振幅的變化，出現(xiàn)相變、回復(fù)、空位退火、再結(jié)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(guān)系乃是研究這此現(xiàn)象和過程的一個敏感方法。4.1.2 導(dǎo)電性與溫度的關(guān)系第18頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四在很寬的溫度范圍內(nèi)研究電阻與溫度的關(guān)系可以

9、顯示電子散射的不同機(jī)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(guān)系向樣可以顯示超導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四雜質(zhì)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(diǎn)25分，星期四 在絕對零度下化學(xué)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(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷

10、，那未電阻與溫度的關(guān)系曲線將要變化，如圖曲線2和3所示。在低溫下微觀機(jī)制對電阻的貢獻(xiàn)主要由 表示。缺陷的數(shù)量和類型決定了與缺陷有關(guān)的電阻。第21頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四在低溫下“電子電子“散射對電阻的貢獻(xiàn)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(diǎn)陣的熱振動在不同溫區(qū)存在差異。根據(jù)德拜理論，原子熱振動的特征在兩個溫度區(qū)域存在本質(zhì)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(guān)系，因此，當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(dāng) 時，電阻和溫度成線性關(guān)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(diǎn)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(diǎn)25分，星期四 普通金屬電阻與溫度的典型關(guān)系非過渡族金屬電阻與溫度的關(guān)系第26頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四過渡族金屬中電阻與溫度間有復(fù)雜的關(guān)系。根據(jù)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(dǎo)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?，過渡族金屬的電阻可以認(rèn)為是由一系列具有不同溫度關(guān)系的成分疊加而成。 過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變第27頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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(guān)系決定的。這已經(jīng)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(guān)系只保持到350 oC ，在進(jìn)一步加熱到多晶形轉(zhuǎn)變溫度之前由于空穴導(dǎo)電的存在，線性關(guān)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(dāng)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(diǎn)25分，星期四多晶形金屬不同的結(jié)構(gòu)變體導(dǎo)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(guān)系。由于不同結(jié)構(gòu)變體的電阻溫度系數(shù)變化顯著，在 曲線上多晶形轉(zhuǎn)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(diǎn)25分，星期四多晶形金屬電阻與溫度的關(guān)系第30頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四多晶形金屬變體存在不同的溫度關(guān)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(yù)期電學(xué)性能的合金。第31頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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(zhuǎn)變屬于二級相變。電阻和溫度的線性關(guān)系對于鐵磁體是不適用的。鐵磁金屬的電阻溫度關(guān)系反常第32頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四圖5.3-5 Ni和Pd的 與溫度的關(guān)系第33頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)2

15、5分，星期四當(dāng)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(diǎn)以前Ni的電阻溫度系數(shù)不斷增大，過了居里點(diǎn)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(diǎn)附近電阻對溫度一次導(dǎo)數(shù)經(jīng)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(diǎn)25分，星期四圖5.3-6溫度對具有磁性轉(zhuǎn)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(diǎn)25分，星期四壓力對材料的性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的影響。由于壓力改變著系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡條件

16、，因而也就能夠使金屬出現(xiàn)新的變體。一般認(rèn)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(zhì)幾乎是沒有的。4.1.3 導(dǎo)電性與壓力的關(guān)系第36頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四在壓力的作用下，由于傳導(dǎo)電子和聲子之間相互作用的變化，電子結(jié)構(gòu)以及電子間相互作用發(fā)生改變，金屬的費(fèi)米面和能帶結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)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(jié)構(gòu)的變化可能容易導(dǎo)致填充程度的其他序列，有可能位外殼層電子轉(zhuǎn)移到未填滿的內(nèi)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(diǎn)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(guān)。第39頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四根據(jù)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(diào)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(guān)。第40頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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(diǎn)25分，星期四 有趣的是，高的壓力往往導(dǎo)致物質(zhì)的金屬化，引起導(dǎo)電類型的變化，而且有助于從絕緣體半導(dǎo)體金屬超導(dǎo)體的某種轉(zhuǎn)變。某些半導(dǎo)體和電介質(zhì)轉(zhuǎn)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(diǎn)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(dāng)溫度變化時大約30種金屬有多晶形轉(zhuǎn)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(dǎo)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(diǎn)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(zhuǎn)變被遏制，而 轉(zhuǎn)變被加速。壓力作用下的多晶形轉(zhuǎn)變導(dǎo)致出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)變體的

20、電學(xué)性能。第44頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四電阻與組元濃度的關(guān)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(dǎo)電性溶劑中加人高導(dǎo)電性溶質(zhì)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(dāng)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(dǎo)電性第45頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四Ag-Cu合金電阻率與成分的關(guān)系第46頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四考慮到純組元原子半徑差所引起的晶體點(diǎn)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(dāng)然的，且原子半徑差越大，固溶體電阻也越大。但是，點(diǎn)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(diǎn)25分，星期四第三，合金化常常影響彈性常數(shù)，因而點(diǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)起作用，移動費(fèi)米面并且改變電子能態(tài)的密度和導(dǎo)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(diǎn)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(qiáng)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(zhuǎn)移到過渡族金屬內(nèi)較深而末填滿的d-或f-殼層中，造成導(dǎo)電電子數(shù)目減少的緣故。電子的這種轉(zhuǎn)移應(yīng)看成固溶體組元化學(xué)作用的加強(qiáng)，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(diǎn)25分，星期四CuPd、AgPd和AuPd合金電組率與成分的關(guān)系第50頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四當(dāng)元素形成金屬間化合物時。合分性能(包括電學(xué)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(jié)

23、合性質(zhì)激烈變化。此外，晶體結(jié)構(gòu)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(fù)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(zhì)，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(diǎn)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。化合物的晶體結(jié)構(gòu)不同于組元及其固溶體的結(jié)構(gòu).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(yīng)形成. 第52頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四4.1. 5

24、導(dǎo)電材料與電阻材料 導(dǎo)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(qiáng)電應(yīng)用的導(dǎo)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(yīng)用的導(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(diǎn)25分，星期四4.2.1 超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展水銀電阻與絕對溫度的關(guān)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(diǎn)25分，星期四這是他首先液化了氦氣，在達(dá)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(dāng)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(dǎo)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(diǎn)25分，星期四金屬失去電阻的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)或常導(dǎo)態(tài)。由于超導(dǎo)態(tài)的電阻小于目前所能測量的最小值(10-25 )，因此可以認(rèn)為超導(dǎo)態(tài)沒有電阻。第58頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四 既然在超導(dǎo)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(dǎo)環(huán)內(nèi)流動達(dá)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(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變他們得出的結(jié)論是超導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四超導(dǎo)體中有電流沒有電阻說明超導(dǎo)體是等電位的，即超導(dǎo)體內(nèi)沒有電場。第60頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四 超導(dǎo)電性出現(xiàn)在周期表內(nèi)許多金屬元素中，也出現(xiàn)在合金、金屬間化合物、半導(dǎo)體以及氧化物陶瓷中.從人們得到轉(zhuǎn)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(dá)35K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，打破了超導(dǎo)研究領(lǐng)域幾十年來沉悶的局面，在全

28、世界刮起了一股突破超導(dǎo)材料技術(shù)的旋風(fēng)。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(diǎn)25分，星期四1987年日、美等國和我國學(xué)者接連報導(dǎo)獲得臨界溫度更高的超導(dǎo)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(dǎo)技術(shù)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(dǎo)材料正在邁人實用化階段。如果在常溫下實現(xiàn)超導(dǎo)，那么電力貯存裝置、無損耗直流送電、強(qiáng)大的電磁鐵、超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等理想將成為現(xiàn)實，則將引起電子元件和能源領(lǐng)域一場革命。有人認(rèn)為，就人類歷史而言超導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四在另一方面，超導(dǎo)體所顯示的磁學(xué)性能同它們的電學(xué)性能同樣地引人注目。超導(dǎo)體的特性表明，完全從電阻率為零這一假設(shè)出發(fā)不能解釋磁學(xué)性能.一個實驗事實是：大塊超導(dǎo)體在弱磁場中的表現(xiàn)有如一個理想抗磁體，在它的內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零.如果把試樣放到磁場中，然后冷卻到超導(dǎo)轉(zhuǎn)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(yīng)。4.2.2 邁斯納效應(yīng)第63頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四圖5.5.2 在恒定外磁場中冷卻的超導(dǎo)球內(nèi)，當(dāng)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(dǎo)態(tài)邁斯納

30、效應(yīng)第64頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)表明，完全抗磁性是超導(dǎo)態(tài)的基本性質(zhì)。如前所述，我們把理想導(dǎo)體定義為在它里面不存在任何散射電子機(jī)制的一種導(dǎo)體。如果把理想導(dǎo)體放置到磁場中，它將不能產(chǎn)生永久的渦流屏蔽，這也是超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體之間存在的另一差別。超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體之間的差別第65頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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(dǎo)態(tài)的電磁特性就是它的電阻等于零。很自然地把超導(dǎo)體想像成電導(dǎo)率為無限大的完全導(dǎo)體，這樣有可能在沒有電場的條件維持穩(wěn)恒的電流密度?？墒牵凑整溈怂鬼f方程； 超導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)由初條件決

31、定。 第66頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四超導(dǎo)現(xiàn)象的存在雖然相當(dāng)普遍，但對許多金屬而言在所做過的溫度最低(一般遠(yuǎn)低于1K)的測量中都未發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)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(dǎo)電性，但這時它們?nèi)匀皇钦?dǎo)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(dǎo)體。曾有理論計算預(yù)示，Na和K即使能成為超導(dǎo)體，它們的臨界溫度也將遠(yuǎn)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(diǎn)25分，星期四壓力對超導(dǎo)電

32、性的出現(xiàn)也有影響。如Cs在1.1x1010 Pa壓力下經(jīng)過幾次相變之后成為超導(dǎo)體(Tc1.5K).第68頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四化合物超導(dǎo)臨界溫度舉例超導(dǎo)體電阻和溫度的關(guān)系第69頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四足夠強(qiáng)的磁場和電流密度都將會破壞超導(dǎo)電性。為破壞超導(dǎo)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(dǎo)體，BC隨溫度T的變化，近似寫成拋物線關(guān)系：第70頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四臨界值曲線把位于圖左下方的超導(dǎo)態(tài)和右上方的正常態(tài)隔開。超導(dǎo)體臨界

33、場與溫度的關(guān)系第71頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四 圖5.5.5 超導(dǎo)體的磁化曲線(a)第一類超導(dǎo)價(b)第二類超導(dǎo)體4.2.4兩類超導(dǎo)體第72頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四根據(jù)邁斯納效應(yīng)，一塊大超導(dǎo)體在外加的磁場H中其行為如同試樣內(nèi)部B0一樣.如果限于考慮細(xì)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(dǎo)體的Hc值一般總是過低，作為超導(dǎo)磁體的線圈沒有什么應(yīng)用價值。第1類超導(dǎo)體第73頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四第2類超導(dǎo)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(dǎo)體第2類超導(dǎo)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(qiáng)為Hc2時都具有超導(dǎo)電性。第74頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)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(yīng)是不完全的。Hc2值可以是超導(dǎo)轉(zhuǎn)變熱力學(xué)計算值Hc的100倍或更高。在Hc1、和Hc2之間的場強(qiáng)區(qū)間內(nèi)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(dǎo)區(qū)，但仍然保持零電阻特性,這時超導(dǎo)體稱為處于渦旋態(tài)或混合態(tài)。當(dāng)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(jìn)入正常態(tài)。NbAlGe的一個合金在液氦的沸點(diǎn)溫度下H

35、C2場強(qiáng)達(dá)32.6x106Am-1第75頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四當(dāng)外磁場H0介于HC1和HC2之間時，第二類超導(dǎo)體處于混合態(tài)這時體內(nèi)有磁感應(yīng)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(dǎo)區(qū)整個樣品的周界仍有逆磁電流。這樣，第二類超導(dǎo)體在混合態(tài)，既具有逆磁性(但B0)，又仍然沒有電阻。當(dāng)外磁場增加時，每個圓柱形的正常區(qū)并不擴(kuò)大，而是增加正常區(qū)的數(shù)目。達(dá)到上臨界磁場HC2時，相鄰的圓柱體彼此接觸，超導(dǎo)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(diǎn)25分，星期四 超導(dǎo)的微觀物理本質(zhì)終于在超導(dǎo)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(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)第77頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四這個理論認(rèn)為，超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是出于超導(dǎo)體中的電子在超導(dǎo)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(jié)成電子對，它是超導(dǎo)態(tài)電子與晶格點(diǎn)陣間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果。 第78頁，共88頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)25分，星期四當(dāng)超導(dǎo)體內(nèi)處于超導(dǎo)態(tài)的某一電子e1在晶體中運(yùn)動時，它周圍的正離子點(diǎn)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(chǎn)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(jié)成了電子對，稱為庫柏電子對。 第79頁，共88