金屬物體具有傳導電流的能力，稱為金屬的導電性。如金、銀、銅、鋁等，都是較好的金屬導體。金屬為什么會導電呢？一般認為，金屬的導電性與其結構有關。

最早的金屬導電理論，是建立在經(jīng)典理論上的特魯?shù)隆�洛倫茲假說，認為金屬中存在有自由電子，在外電場作用下，自由電子沿電場力方向產(chǎn)生定向運動，形成電流。按照Q—M鍵理論，原子的Q鍵鏈接具有傳導電場能的功能，據(jù)此，提出新的金屬導電理論——Q鍵電橋說。

一、Q鍵電橋說

       Q—M鍵理論認為，金屬之所以具有導電性，與原子核的Q鍵鏈接有關。具體表述為，在外界電場作用下，原子核電場串聯(lián)起來，構成一條電場傳導通路——電橋，電場能通過電橋形成電流。需要說明的是，核外電子處于運動狀態(tài)，其電場無法形成線性鏈接，因此，金屬導電性與核外電子沒有關系。原子核電場串聯(lián)屬于原子Q鍵鏈接的組成部分，因此稱為Q鍵電橋，其傳導電流過程，如圖所示：

       比較而言，電橋說以原子核為傳導電流的載體，明確了電流的本質——流動的電場能，以光速C傳遞，完全符合電流的傳輸特征。而自由電子運動說則以核外電子為傳導電流的載體。自由電子定向運動描述的是粒子流，粒子流沿著電場方向運動，勢必向導體的一端聚集，而另一端形成空穴，金屬原子變?yōu)殡x子，金屬的傳導功能具有一定飽和性；如此一來，電子定向運動只能維持短暫的電流傳導，無法形成持續(xù)的電流，與事實不符。另一方面，自由電子以光速傳導電流也是值得推敲的。

二、電阻

       金屬導體在傳遞電流過程中，對電流的阻礙作用稱為電阻。電阻的特征是將電能轉化為熱能。那么，電阻是怎如何生的呢？下面就來探討這一問題。

       在原子內(nèi)部，原子核與核外電子存在著質量場和電場雙重作用，其中，原子核和核外電子的電場方向相反，參照圖示：金屬電阻與熱電子(A)。

      當外界電場作用于導體時，金屬原子通過Q鍵鏈接形成電橋，原子核的電場方向與外界電場方向保持一致，而核外電子的電場方向則與外界電場方向相反。電場方向相反產(chǎn)生排斥作用，因此，核外電子將在外界電場作用下，調轉電場方向，與原子核電場方向相同。由于原子核與電子互為逆向旋轉粒子，電場方向相同，質量場旋轉方向則相反。根據(jù)質量場作用規(guī)則，逆向旋轉質量場間產(chǎn)生排斥作用。因此，核外電子將在原子核質量場斥力作用下發(fā)生徑向運動，躍遷到外層高能級軌道。核外電子在電場翻轉及軌道躍遷過程中，產(chǎn)生的反作用即為導體的電阻效應。電阻值的大小與電子躍遷前后能量之差成正比。參照圖示，金屬電阻與熱電子（B）。

      不難看出，導體電阻是外界電場能量轉化為核外電子軌道躍遷能量的一種作用機制。躍遷到高能級軌道上的電子又稱為熱電子，是物體進入高溫狀態(tài)的一種標志。通過電阻作用效應，原子能級升高，意味著導體溫度升高。熱電子在軌道躍遷過程中，產(chǎn)生熱輻射現(xiàn)象。因此，電阻具有把電能轉化為熱能的物理特征。

三、超導現(xiàn)象

      超導是指某些物質在特定的低溫條件下，電阻降為零的性質。超導現(xiàn)象的特征是零電阻和完全抗磁性。

      1911年，荷蘭物理學家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，汞在溫度降至4.2K附近時，導電性能突然進入一種新狀態(tài)，電阻竟然消失了。后來發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有這種特殊的導電性能，昂內(nèi)斯稱之為超導態(tài)。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。^[1]

      為了證實超導體電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環(huán)，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應電流。結果發(fā)現(xiàn)，在兩年半的時間內(nèi)，電流一直沒有衰減，這說明圓環(huán)內(nèi)的電能沒有損失。當溫度升到高于超導轉變溫度Tc時，圓環(huán)由超導狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應電流立刻消失，這就是著名的昂內(nèi)斯持久電流實驗。

       超導體零電阻效應，反映的是極限條件下，溫度與電阻的關系。這一現(xiàn)象是怎樣產(chǎn)生的呢？下面就來闡述這一問題。

      通過前面章節(jié)對熱本質的討論，我們知道，物體溫度與原子能級存在著對應關系。原子能級越高，物體溫度越高，原子能級越低，物體溫度越低，原子能級決定了物體的溫度。反過來說，物體所處環(huán)境的溫度可以調整原子的能級，溫度越高，原子能級越高，溫度越低，原子能級越低。當外部環(huán)境溫度恒定時，物體溫度不變，原子能級處于被鎖定狀態(tài)。原子能級處于基態(tài)時，對應于物體的最低溫度狀態(tài)，每種原子的極限溫度不盡相同，都接近于絕對零度�；鶓B(tài)原子的核外電子運動在最低能量軌道上，不會產(chǎn)生電磁輻射。

      所謂電阻是外界電場改變核外電子電場方向，使之成為熱電子而產(chǎn)生的反作用效應。如果核外電子被極限溫度鎖定在最低能級軌道上，就不會發(fā)生軌道躍遷，沒有機會成為熱電子。核外電子不發(fā)生軌道躍遷，對外界電場不產(chǎn)生反作用，此時，導體電阻表現(xiàn)為零，進入超導狀態(tài)。如果物體溫度升高，核外電子在外界電場作用下，躍遷到高能級軌道，成為熱電子。這時，超導體的零電阻效應就會馬上消失，恢復到常態(tài)。原子的極限溫度，又稱超導轉變溫度Tc。

      1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導體的另一個極為重要的性質——完全抗磁性。對單晶錫球進行實驗發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導態(tài)時，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應”。

      傳統(tǒng)超導理論認為，當超導體處于超導態(tài)時，在磁場作用下，表面產(chǎn)生一個無損耗感應電流。這個電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反，因而在深入超導區(qū)域總合成磁場為零。換句話說，這個無損耗感應電流對外加磁場起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。

      然而，分析發(fā)現(xiàn)，上述說法與電磁感應原理相矛盾。因為感應電流產(chǎn)生的條件是，導體在磁場中做切割磁力線運動，靜止于磁場中的導體，包括超導體在內(nèi)，在沒有切割磁力線的情況下，是不會產(chǎn)生感應電流的，設定超導體表面產(chǎn)生無損耗感應電流，缺乏理論依據(jù)。

      人們曾做過這樣一個實驗，在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小磁性很強的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導性。這時可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動了。實驗過程顯示，超導體的完全抗磁性是在超導體與磁場相對靜止時出現(xiàn)的，沒有切割磁力線運動，屬于超導體內(nèi)部的一種自然屬性。

      超導體的完全抗磁性是如何產(chǎn)生的呢？邁斯納效應的機理是什么呢？下面就來探討這個問題。

       每個原子都是一個小磁體，都能夠與外界磁場發(fā)生作用。電橋說認為，在外界磁場作用下，超導態(tài)原子像電場中的原子一樣，將按著磁場方向有序排列，原子核電場串聯(lián)起來，鏈接成環(huán)形電橋。在環(huán)形回路中，電阻為零，原子核電場能自行循環(huán)，形成昂內(nèi)斯持久電流，即無損耗感應電流。換句話說，靜止于磁場中的超導體，將自行感應生成電流，感應電流形成感應磁場。

       超導體不等同于電阻率為無限小的理想導體，對于理想導體來說，在加磁場前后導體內(nèi)磁感應強度不發(fā)生變化，而超導體內(nèi)部的磁感應強度為零，B=0，即超導體排斥體內(nèi)的磁場。那么，超導體的這種屬性是如何產(chǎn)生的呢？

       原子的磁場由原子核磁場和核外電子磁場共同組成。磁場的本質是旋轉質量場效應，原子核磁場和電子磁場就是其質量場（M場）自旋產(chǎn)生的效應。磁場對原子作用分為兩種情形：第一種情形，原子的磁場方向與外磁場方向相同，這時，外磁場將向原子核和電子傳輸自旋角動量，導致M場作用強度增大，原子核與電子結合力增強，原子半徑縮小。第二種情形，原子的磁場方向與外磁場方向相反，這時，外磁場將消減原子核和電子自旋角動量，導致M場作用強度減小，原子核與電子結合力減弱，原子半徑增大。就是說，無論原子磁場方向與外磁場方向相同，還是相反，原子半徑都要發(fā)生增減變化；準確地說是核外電子發(fā)生了軌道躍遷，進入到新的能量軌道，這就是磁場對原子的作用效應。

       但是，超導態(tài)的原子，原子能級為基態(tài)，核外電子被鎖定在最低能量軌道上，不會發(fā)生任何軌道躍遷。這意味著超導態(tài)抵制外部磁場的作用效應，超導體內(nèi)部的磁感應強度為“零”。根據(jù)作用與反作用原理，超導態(tài)原子將通過感應電流生成與外磁場大小相等、方向相反的感應磁場。

       超導感應磁場與外磁場相互排斥，傳統(tǒng)超導理論把這一現(xiàn)象理解為，磁力線無法通過超導體，把體內(nèi)的磁場排擠出去。其實，在完全抗磁性實驗中，超導體內(nèi)部磁場強度并不為零，而是與外磁場呈對抗狀態(tài)，因而出現(xiàn)了各種排斥現(xiàn)象，這是邁斯納效應的本質。實驗模擬圖示如下：