『無阻』話超導(超導材料及其應用)之三

2021-01-17 清剛而介

六,超導體的分類

自超導體問世以來,已經發現了28種無素,近萬種化合物(包括高Tc氧化物超導體)具有超導電性,隨著超導體應用研究的深入.按其性質,超導體可分為兩大類,第Ⅰ類超導體和第Ⅱ類超導體.第Ⅰ類超導體,它包括大多數純金屬,第1類超導體的特徵之一是邁斯納效應,即抵消由外加磁場在金屬內部所產生的磁通量.當外加磁場加到大於臨界磁場值時,磁力線會突然進入超導體內部,使超導態破壞.第Ⅱ類超導體,它包括大部分超導合金,情況比較複雜.當外加磁場逐漸加大時,由超導態轉變成正常態要經過一個新的超導態--混合態.混合態是一種存在部份磁通線,抗磁不完整的超導態.人們定義,由完全抗磁性轉變為混合態時的磁場值Hc1為下臨界場,由混合態轉變為正常態時的磁場值為上臨界場,定義為Hc2(圖1-7).關於超導體的微觀理論的一些概念性問題將在銅氧化物超導體章節提及.

根據第Ⅱ類超導體在靜磁場中性質的差異,還可有理想第Ⅱ類超導體和非理想第Ⅱ類超導體之分.如果超導體的磁化曲線(B-H曲線)是可逆的,即磁化過程和退磁過程可以嚴格重複,這類超導體被稱為理想的第Ⅱ類超導體,若磁化曲線是不可逆的,稱它為非理想第Ⅱ類超導體.(圖1-8)

圖1-8中,O-C1-C2-C1-O為理想第Ⅱ類超導體的可逆磁化曲線.O-C1-P-C2-O'為非理想第11類超導體磁化曲線.當磁 場從零增到Hc2之前,超導體表現出完全抗磁性,此時-4πM=H(O-C1線);當磁場超過Hc1後,-4πM開始偏離O-C1線,它隨磁場的增加而增大,當磁場大於Hp後,它又隨磁場的增加而減少(C1-P-C2線);當磁場大於Hc2時,超導體轉變成正常態,

-4πM=O;這時降低磁場,它的-4πM不沿原來的曲線P-C2回來,表現出不可逆性,而沿C2-O'線變化.當磁場降到零,-4πM不等零,出現剩餘磁矩.

非理想第Ⅱ類超導體有很高的無阻傳輸能力.臨界電流Ic是獨立的臨界參量,不和磁場存在簡單的函數關係.

除了磁化曲線不可逆這是非理想第Ⅱ類超導體主要特徵之外,當它處於混合態時,進入超導體內的磁通分布是不均勻的,它不是分布在整個超導體內,而只是分布在超導體的邊緣區域.

在一個磁通體系中,每根磁通線都受到其他磁通的排斥作用.對於個一的均勻分布磁通線體系,來自其他磁通線的排斥力是相互抵消的,即每根磁通線實際上不受洛侖茲力的.對於磁通線非均勻分布的非理想第Ⅱ類超導體而言,情況就不同的.當有傳輸電流時,磁通線受著洛侖茲力的作用,磁通線將從密度較高的區域向密度低的區域流動,在非理想第Ⅱ類超導體中,磁通線不均勻分布並不隨時間變化而變化. 圖1-9表示處於外磁場中的第Ⅱ類超導體製成的平板,外磁場方向垂直紙面.當它處於混合態時,若沒有任何傳輸電流,那麼渦旋線(即磁力線通道)的分布是均勻的,形成的磁通格子如圖1-9(a)所示.當垂直於磁場方向通以直流電時,情況就不同了.由於傳輸電流本身的磁場方向在電流線的一側與外磁場相同,另一側.與外磁場相反,造成磁場的不均勻分布.上面已經指出,磁場的變化只能引起渦旋線數日的變化從而造成渦旋線的不均勻分布.考慮平行磁通渦旋線的排斥作用,使渦旋線由密的地區向疏的地區流動,稱為磁通流動。磁通流動的結果造成一側渦旋線消失(磁通淹沒)而另一側又不斷地生成新的渦旋線,如圖1-9(b)所示。

圖1-9,第Ⅱ類超導體的磁通格子和磁通流動

在非理想第Ⅱ 超導體中,除受到洛侖茲力的作用外,還受其他力的作用,它來自非理想第Ⅱ類超導體中的缺陷,雜質等不均勻性形成的釘扎中心,對磁通線產生的釘扎力,使磁通線牢牢地被通流的電阻,大大增加非理想第Ⅱ類超導體的傳輸電流.所以目前對於位錯,晶界及釘扎中心性質、釘扎力的大小和脫釘過程等的研究已成為超導體研究的重要議題.

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