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2024.11.13
一、什么是超导，超导有哪些表现
超导（Superconductivity）是一种特殊的物理现象，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度以下时，电阻突然变为零，并且表现出完全抗磁性的状态。这种现象最早由荷兰物理学家昂尼斯在1911年发现，当时他发现当氮气的温度降低到一定阈值时，其磁导率无限大，表明磁力线在某些低温下不能再通过物体，从而发现了超导现象。
超导态具有一系列临界参量，如临界温度Tc、临界磁场Hc、临界电流密度jc等。必须同时低于三个临界参量，超导态才能维持住，一旦材料的物理量超越临界参量，超导态被破坏，变回不超导的正常态，此时恢复为有电阻态，磁通线也可以进入超导体内部。超导材料，又称为超导体，指可以在在特定温度以下，呈现电阻为零的导体。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。
超导现象的主要表现包括以下几个方面：
零电阻：在超导状态下，超导材料的电阻几乎为零，电流可以在没有任何能量损失的情况下流过材料。
完全抗磁性：超导材料在超导状态下会完全排斥磁场，表现出完全抗磁性，这种现象被称为迈斯纳效应。
磁致流变：超导体在面临外部磁场时，超导电子会以磁致流的方式快速流动，产生磁致流变现象。
二、关于超导的理论假设主要包括以下几个方面：
二流体模型：1934年，戈持和卡西米尔提出了二流体模型，解释了超导体的零电阻特性。该模型假设金属在超导态时，自由电子分为两部分：一部分是正常电子，受到晶格振动的散射而产生电阻；另一部分是超流电子，不受晶格散射，因此电阻为零。超流电子在晶格中无阻地流动，正常电子对超流电子起到短路作用，从而使得超导体内部电流完全来自超流电子的贡献。
伦敦方程：1935年，伦敦兄弟提出了两个经典方程来描述超导现象。伦敦方程描述了超导体在磁场中的行为，指出超导体具有完全抗磁性，即磁场不能穿过超导体内部。伦敦方程的成功解释了超导体的零电阻效应和迈斯纳效应。
金兹堡-朗道理论：1950年，金兹堡和朗道提出了一个描述超导体的唯象理论，该理论通过序参量来描述超导体的电磁性质。金兹堡-朗道理论成功解释了超导体的许多实验现象，包括磁场穿透超导体时的行为。
BCS理论：1957年，巴丁、库珀和施里弗提出了BCS理论，这是目前最为成功的超导理论。BCS理论解释了超导现象的微观机制，指出超导电流是由电子成对形成的库珀对在低温下凝聚而成的。BCS理论成功解释了超导转变温度与元素同位素质量的关系，并预言了新型超导材料。
这些理论假设和模型共同构成了现代超导理论的基础，解释了超导现象的物理机制和实验现象。
三、超导体的形状多种多样，主要包括以下几种：
1、线形超导体：这种超导体通常呈线状，常用于制造超导电缆。例如，高温超导电缆已经在实际应用中投入使用，能够高效传输电能，减少能量损耗。
2、带材超导体：超导带材是一种常见的超导体形状，通常由多层超导材料和基底材料组成。它们广泛应用于超导电力设备和超导磁体中，能够承受较大的机械应力和电流负荷。
3、块状超导体：块状超导体通常用于科学研究和高能物理实验中。例如，铌、铅等金属超导体常用于制造超导磁体和超导电磁体。
4、薄膜超导体：薄膜超导体通常用于微电子器件和集成电路中。它们具有较高的临界磁场和电流密度，适用于高磁场环境下的应用。
5、复合超导体：复合超导体由超导材料和非超导材料组成，常用于增强材料的机械强度和导电性能。例如，超导带材和超导线圈就是典型的复合超导体。
不同形状的超导体在应用中的具体应用场景：
线形和带材超导体：主要用于电力传输和电力设备中，能够减少能量损耗，提高电力传输效率。
块状超导体：常用于科学研究和高能物理实验中，如制造超导磁体和超导电磁体。
薄膜超导体：适用于微电子器件和集成电路中，能够在高磁场环境下稳定工作。
复合超导体：广泛应用于超导电力设备和超导磁体中，能够增强材料的机械强度和导电性能2。
这些不同形状的超导体在各自的应用领域中发挥着重要作用，推动了超导技术的发展和应用。
四、效应解释
磁致流变（Magnetorheological，简称MR）是一种在外加磁场作用下，材料的流变学特性（如粘度、弹性模量等）能够迅速发生显著变化的材料。这种变化是瞬间的、可逆的，并且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系。
磁致流变材料的应用领域
汽车工业：磁致流变材料在汽车工业中主要用于磁流变悬架系统。通过控制电磁线圈产生的磁场，磁流变液中的磁性颗粒迅速改变排列方式，形成链状结构，从而改变减振器的阻尼特性，实现悬架性能的实时调整。这种技术能够根据路面状况和驾驶需求，实时调整车辆的操控性和舒适性，抑制车辆的俯仰、侧倾及垂向振动，提高制动效率。
航空航天：在航空航天领域，磁致流变材料被用于飞机起落架的缓冲器、机翼的襟翼、尾翼的舵机等部件，以提高飞机的性能和安全性。
柔性智能器件开发：磁致流变材料具有高弹性、高响应速度以及较好的刚度可调性，因此在柔性智能器件开发、仿生装备以及生物医疗等领域有广泛应用。
磁致流变材料的工作原理
磁致流变材料的主要成分是磁流变液，它由大量微小的磁性颗粒悬浮在非磁性液体中组成。当外加磁场作用时，磁性颗粒迅速改变排列方式，形成链状结构，导致液体的粘度在毫秒之间迅速增加，从而改变材料的力学性能。这种变化是瞬间的、可逆的，并且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系。
磁致流变材料的发展前景
随着技术的进步和应用领域的拓展，磁致流变材料在未来的应用前景非常广阔。特别是在汽车工业中，随着技术的成熟和成本的降低，预计未来将有更多的汽车减振器采用磁致流变技术。此外，其在柔性智能器件开发、仿生装备以及生物医疗等领域的应用也将进一步推动其发展。
迈斯纳效应（Meissnereffect）是指超导体在进入超导态时，会对磁场产生排斥现象，使得超导体内部的磁感应强度几乎为零的现象。这一效应于1933年由瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森菲尔德在测量超导锡和铅样品外的磁场时发现。当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流在超导体内部形成的磁场，恰好和磁体的磁场大小相等，方向相反。这两个磁场抵消，使超导体内部的磁感应强度为零，B=0，即超导体排斥体内的磁场。在接近表面的一定距离内，磁场并不会被完全抵消，这个距离被称为伦敦穿透深度。伦敦穿透深度一般为50至500纳米。具体来说，当一块磁铁被放置在一个超导盘子上时，如果盘子被冷却至其超导相变温度以下，盘子会变成超导体。此时，盘子表面的感应电流会使它也变成一个磁体，与上面的磁铁互相排斥，从而导致磁铁浮起来。只要不超过超导的抗磁限度，磁铁就会一直浮在空中，否则会因为磁铁的磁场进入超导盘子而接触。此外，迈斯纳效应不仅发生在磁铁上方，还会在前后左右产生磁约束，使得超导体在磁场中倾向于保持当前的姿态，抗拒各种变化。
五、超导临界电流有多大
临界电流指处于超导态的超导体通以直流电流增加到临界值时样品转入正常态。实验发现在一超导体中流过电流时，超导体保持无阻有一电流上限，我们把它叫做该超导体的临界电流Ic，只要I≥Ic，则超导体出现电阻。
指在超导体中流过的最大电流。超导临界电流的大小取决于具体的超导材料和工作温度。
对于常见的低温超导体，例如铜氧化物和铋钛酸钡等，其临界电流可以达到几千安培甚至更高。而对于高温超导体，例如钇钡铜氧化物和铁基超导体等，其临界电流相对较低，一般在几十安培到几百安培之间。
需要注意的是，超导临界电流受到材料的热稳定性和超导材料内部的缺陷等因素的影响。
此外，超导临界电流还受到外部磁场的影响，当超导体受到过强的磁场作用时，其临界电流可能会显著降低。因此，在实际应用中需要综合考虑材料的特性和工作条件来确定超导临界电流的大小。