传统超导体简介

2014年5月24日

传统超导体简介

LH·ZW

摘要：如今超导体在社会生产中扮演着越来越重要的作用，不管是急速发展着的电子工业

还是磁悬浮列车的发展都与超导体的发展息息相关。并且一直以来有着神秘色彩超导体在我们心目中都是高端得遥不可及的，而当今社会的发展却因之而大放异彩，所以对于超导体的机制及其应用我们还是应该学习的。

关键词：电磁学超导体零电阻现象迈斯纳效应超导发电磁悬浮列车

引言

超导体与电磁相关原理不无关系。超导体没有电阻是一材料宏观表现出来的性质，并且在我们现有的认知当中，当温度到达（升高或降低）该材料的某一临界值时，其温度会变为让人们一直以来都不为理解且震惊的零值，即是不可思议的没有电阻现象。且超导的最具特点与价值的是其完全导电性和完全抗磁性，由此使得其在社会生活生产中扮演着重要的角色。

一．超导体分类

现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种：

∙通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。

∙通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体（如果它们可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（如果它们不能用上述理论解释）。

∙通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体：高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。

∙通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如：铅和水银；合金超导体比如：铌钛合金；氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物；有机超导体,比如：碳纳米管。

二．一般超导体（即第一类超导体）的微观机制

1.电阻成因：很多宏观现象可以从微观领域中得到解释。电流是导体中电子的定向移动。电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动。众所周知，在正常导体中，一些电子没有被束缚到个别原子上，而是可以通过正离子的晶格自由运动。而电流通过晶格运动时），特别是金属中电子与晶格缺陷碰撞散射，以及在运动过程中其会与晶格振动相互作用而带来宏观上的电阻现象（1）（2）。这就是电阻的成因。

2.超导形成：由电阻成因知我们欲形成超导则要使得那电磁力的作用得到消除进而使得原子消除振动，从而使得电阻为零形成超导。并且由科学研究知在低温下核外电子运转速率

低，这种运转不满足于其平时的运转所需的速率，这就相当于形成电子缺失，核心就挪用相邻的核外电子，接着会形成所有核心都连续地挪用相邻电子，从而形成外电子公用现象。核心把公用的电子当成自己所需的电子一部分，就会用其库仑力去顺势输运这核外电子，由于其本身的这种作用而形成了电子流——即超导电流。从而使得电子电子在期间顺势流动而不会有其他运动形式的干扰从而使得其宏观电阻表现为零的现象。除此之外，由此原理我们还可以人为提高材料形成超导的临界温度值等。

3.经典BCS理论简介：金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓“库珀对”，库珀对在晶格当中可以无损耗的运动，形成超导电流。

电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦直接作用的话，电子不能形成配对。但电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用。电子间的这种相互作用是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。大致上，其机理如下：电子在晶格中移动时会吸引邻近格点上的正电荷额，导致格点的局部畸变，形成一个局域的高正电荷区。这个局域的高正电荷区会吸引自旋相反的电子，和原来的电子以一定的结合能相结合配对。在很低的温度下，这个结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有电阻，形成所谓“超导”（3）。

4.零电阻理论验证：（1）.卡茂林—昂尼斯持久电流实验：将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大，感应电流立刻消失。（2）.费勒和密尔斯利用核磁共振方法测得超导电流衰变周期不少于十万年。由此让人们接受并且确定了超导体的零电阻现象。

三．超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）

1.迈斯纳效应：当物质由常导态进入超导态后其内部的磁感应强度总是为零，即不管超导体在常导态时的磁通状态如何，当样品进入超导态后，磁通一定不能穿透超导体。这一现象也称为迈斯纳效应（4）。

2.迈斯纳效应现象：一个超导体，当温度低于临界温度，外界磁场在临界磁场之下，都不会对超导体的内部微观凝聚现象产生宏观上的破坏，也就是说这时候超导体内部是处于有序相的，而且是长程有序，这种作用是强耦合作用。低于临界磁场，外界磁场不足以抗衡内部量子凝聚的磁效应，所以必然被排斥在超导外部，现实的来说，或许只有一定的穿透深度。由此出现迈斯纳效应的现象。当然理想金属不存在迈斯纳效应，说明超导体不是简单的电阻等于零（5）。

四．超导体部分应用

1.超导发电（6）：. 超导用于发电的装置目前有磁流体发电、超导电机发电、热核聚变

发电三种。

（1）磁流体发电：原理为电磁感应原理，磁流体发电是以高温的导电流体（在工程技术上常用等离子体）高速通过磁场，以导电的流体切割磁感线产生电动势。

（2）超导电机发电：是由一组直流线圈和输出接线端与多组交流线圈和输出接线端构成的内口为方型或其它形状中空的线圈组与插在中空腔内的截面为方型或其它形状的长条型超导磁体构成。超导磁体的输入端分别与直流启动电源开关相接并与直流线圈输出接线端相接，输出端设有与负载相接的接线端，该装置发电时，无污染、无噪音、无能耗、无机械磨损，是人类最理想的能源装置，它可取代一切现有的能源装置向人类提供永久电能。

（3）热核聚变发电：一种利用热核聚变能发电的方法。

2.超导输电：

可以制成超导电缆,无损耗地输电,不但输电效率高而且可以节约材料,避免铺设高架电缆,降低输电成本。不过现在相关技术及材料应用还有待普及。

3.超导储能：

用超导材料制成的贮能线圈,能以磁能的形式将电能大量贮存起来。并具有密度大、损耗小的特点。

4.超导电磁推进：

超导电磁推进的装置是在船体内安装一个超导磁体,它会在海水中产生一个强大的磁场。同时,在船体两侧安装一对强大的电极 , 使海水在两极间产生很大的电流 . 由于磁场和海水中电流的相互作用,海水在船后对船体产生一个强大的推力。这时海水和电极相当于转子和电枢。利用与电机相同的原理就可推动船体前进。

5.超导磁场净化：

为了使瓷器更洁自漂亮。也可用超导体制成高梯度强磁场除去高岭上中的金属磁性杂质。当然在理论想象中应该也可以利用超导产生高强度磁场进而可以把它应用到环境治理当中去。

6.超导磁悬浮列车（7）：

超导磁悬浮列车是人们根据超异体的完全抗磁性设计出的一种高速列车；磁悬浮列车从原理讲可分为两种:一种是超导感应推斥式(电动型)磁悬浮(简称EDS),另一种是电磁吸引式(电磁型)磁悬浮(简称EMS)。

（1）导向原理：磁悬浮列车利用电磁力的作用进行导向

①常导磁吸式的导向系统：是在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁。车体与导向轨侧面之间保持一定间隙。当车辆左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，使车辆恢复到正常位置。控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的目的。

②超导磁斥式的导向系统:可以采用以下3种方式构成: A.在车辆上安装机械导向装置实现列车导向。B.在车辆上安装专用的导向超导磁铁，使之与导向轨侧向的地面线圈和金属带产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确的运行方向。C.利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系铺设“8”字形的封闭线圈。当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8”字形的线圈内磁场为零，并产生一个反作用力以平衡列车的侧向力，使列车回到线路中心线的位置(4)。（2）推进原理：是把旋转电机展开成直线电机。它的基本构成和作用原理与普通旋转电机类似，展开以后，其传动方式也就由旋转运动变为直线运动。

①常导磁吸式磁悬浮：采用短定子异步直线电机。