伦敦方程

✍ dations ◷ 2025-04-07 10:27:11 #超导,电磁学,方程

伦敦方程把超导体的电流与其里面及周围的电磁场联系起来,这两条方程是由弗里茨与海因茨·伦敦两兄弟于1935年提出的。它们可被视为超导现象最简单的有效描述,所以几乎所有介绍超导的现代教科书,都会把伦敦方程视为入门必修课。这套方程组最大的成就,就在于它们成功地解释了迈斯纳效应;该效应指的是,当超导体温度低于超导的门槛后,它会愈来愈快地排斥掉其内部所有的磁场。

以可量度的场表示时,伦敦方程共有两条:

其中 j s {\displaystyle {\mathbf {j} }_{s}} 轴一致,与边界平面平行。若从边界指向超导体内部,则内部的磁场解为

从上式可以较容易地理解到伦敦穿透深度的物理意义。

需要注意的是,上述各方程并不能用文字推导出来,尽管如此,伦敦兄弟在表述这套理论时,还是有跟着一套凭直觉所得的逻辑。欧姆定律指出,电流与电场成正比;即使各种物质的构造不同,但是大致遵守欧姆定律的物质种类还是出奇地多。然而,超导体是不可能有这样的线性关系,因为超导时电流都没有电阻,而这点就是超导的定义。为了这一点,伦敦兄弟把超导电子想像成,受均匀外在电场影响的真空电子。根据洛伦兹力方程:

这些电子应感受到一股均匀的力,并因此均匀地加速。第一条伦敦方程所描述的正是如此。

要得出第二条方程,先取第一条伦敦方程的旋度,然后使用法拉第定律:

最后可得

就现时所得的方程而言,方程同时允许不变解及指数衰变解。伦敦兄弟从迈斯纳效应中察觉到,非零的不变解是不具有物理意义的,因此他们假定不单是上式的时间导数为零,还有括号内的式子也必须是零。由此得出第二条伦敦方程。

要解释伦敦方程,还有其他方法。电流密度的表示式如下:

要把上式由经典描述转为量子力学的描述,就必须把j及v的数值,改为对应算符的期望值。速度算符的表示式如下

把具有规范不变性的动态动量算符,除以粒子质量,就能得到速度算符。然后可以将速度算符代入电流密度的表示式。然而,超导的微观理论中有一个重要的假设,就是一系统的超导态是这个系统的基态,而根据布洛赫的一条定理,这样一个态的正则动量p为零。因此得

也就是上面用矢量场A所表示的伦敦方程。

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