浅谈超导体

浅谈超导体

徐建强

河南省卢氏县第一高级中学

来源人教网

由于导体的电阻，在远距离输电等方面造成较大的电能浪费；如能生产一种超导体材料，没有电阻，电流流经它时将不受任何阻力，没有热损耗，于是就能以小的功率得到大的电流，从而产生几个甚至几十个特斯拉的超强磁场，将具有很高的应用价值。今天，这一切以成为现实。

一、超导体的基本特性

1. 零电阻效应

超导现象的发现是与低温技术的发展分不开的。1906年荷兰著名低温物理学

家昂纳斯(H．K．Onnes，1853—1926)首次制备出液态氮，获得4开的低温(相当

于-269℃)，随后又获得了1.04开的低温。这是继1898年制备出液态氢获得14

开低温之后的巨大进展。随着低温技术的进展，科学家已注意到纯金属的电阻随

温度的降低而减小的现象。昂纳斯首先研究低温下水银电阻的变化。l911年发现

了水银的超导现象。在4.2开附近水银电阻突然变小。图1是水银的电阻随温度

的变化情况，纵坐标是该温度下水银电阻与0℃时电阻的比值：R(T)／R(0℃)。

较精确的测量给出水银的超导转变温度（临界温度）Tc＝4.153 开。继续降温到

3开时，电阻降到仅为0℃时电阻值的10-7Ω，电阻值实际已可看作零了。

图1水银的零电阻效应

1912—1913年间昂纳斯又发现锡(Sn)在3.8开低温时，也有零电阻现象。随后科学家们又发现了其他许多金属或合金在低温下都有零电阻效应。昂纳斯首先将这种特殊的电学性质称为超导。昂纳斯由于液氦的制备和超导现象的研究获 l913 年诺贝尔物理学奖。

2 ．完全抗磁性

1933年，德国物理学家迈斯纳(W．Meissner) 通过实验发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁感线会一下子被完全排斥到超导体之外 (见图2)，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体。这个现象称为迈斯纳效

应。

3 ．存在临界磁场

实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于Tc的任一温度T下，当外加磁场的磁感应强度B小于某一临界值Bc时。超导态可以保持；当B大于Bc 时，超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场Bc不仅与超导体本身性质有关，还与温度 T 有关。

4 ．同位素效应

超导体的临界温Tc与其同位素质量M有关。M越大，Tc越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc 是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc 为4.146开。

二、常规超导与高温超导

常规超导材料按其化学组成可分为三种：元素超导体、合金超导体和化合物超导体。大部分金属元素都具有超导电性，但是在室温下，导电性能非常好的一些金属元素(如金、银、铜等)却在很低的温度下都不是超导体。实用超导材料主要是合金型和化合物型两大类，这是由于它们具有易制备、成本低、塑性好等优点。

合金型目前主要是铌钛合金(NbTi，Tc＝9.5开)，比较成熟，已达到了商品化。另外，用得较多的一些化合物超导材料主要有铌三锡(Nb 3 Sn，T c＝18.3开)、钒三镓(V3Ga，Tc ＝16.5开)和钒三硅(V3Si，Tc＝17.1开)等。由此可见临界温度也是非常低，制约了超导材料的发展。直到1987年2月24日中国科学院宣布，赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧(YBaC)材料的T c提高到了92.8 开以上，从而实现了超导在高温区的突破，大大扩展了超导的应用前景。

三、超导应用简介

高温超导研究所以会引起世界各国科学家的关注，就是因其有巨大的科学和经济价值。

在交通运输方面，利用超导体的无电阻和抗磁性的特点，已研制出时速超过 550 千米的磁悬浮列车。

在节能方面可制造功率极大、体积小、效率高的超导发电机，这种电机载流能力比常规电机高1—2个数量级。利用超导电缆可实现无损耗长距离输电，而目前30％的电能在输送电路上损耗掉。1998 年我国第一根铋系高温超导输电电缆研制成功，运载电流达到 1200 安培，使我国成为世界上少数几个掌握这一技术的国家。

超导核磁共振成像仪已在医学上应用，用常规电磁铁一般能产生的最高磁场强度约2特斯拉，而用超导磁体可产生几十特斯拉的强磁场，而功耗降低到 1／100。

超导磁体在磁约束的受控热核聚变反应堆中也是必不可少的，只有利用超导磁体才有可能在几十立方米的空间中产生十几特斯拉的磁场作为等离子体的加热和约束之用。

目前超导应用上的主要困难已不是提高T c ，而是要提高材料能承受的电流强度 ( 不致破坏超导态 )和增强材料的展延性，以拉伸成材。超导应用前景十分广阔，随着应用领域的扩大，这一高科技领域的产业化必将得到迅速发展。