超导现象和超流现象的关系

论超导现象和超流体现象的关系

——灵遁者

我相信你和我一样，第一次听到超导概念的时候，是诧异的。竟然还有这样的现象，其实令我们诧异的现象，有很多很多的。只要你愿意去找，去发现，物理世界的奇妙，会伴随你一生。但很多令我们诧异的现象，我们也找到了原因。这就是人类的智慧。

1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

首先电阻是描述导体导电性能的物理量，用R表示。电阻由导体两端的电压U与通过导体的电流I的比值来定义，即R=U/I。所以，当导体两端的电压一定时，电阻愈大，通过的电流就愈小; 反之，电阻愈小，通过的电流就愈大。因此，电阻的大小可以用来衡量导体对电流阻碍作用的强弱，即导电性能的好坏。电阻的量值与导体的材料、形状、体积以及周围环境等因素有关。

超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

迈斯纳效应于1933年被瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现。在有磁场的情况下，样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时，样品几乎抵消掉所有里面的磁场。他们只是间接地探测到这个效应；因为超导体的磁通量守恒，当里面的场减少时，外面的场就会增加。这实验最早证明超导体不只是完美的导电体，并为超导态提供一个独特的定义性质。

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。

在弱场下，超导体几乎“排斥”掉所有的磁通量，磁力线无法穿透超导体。它通过在其表面建立起电流来达到这点。这些表面电流的磁场与外加的磁场在超导体内互相抵消。由于场排斥（或抵消）并不随时间而改变，所以导致这效应的电流（又称持久电流）并不会因时间而减弱。因此电导率可被视为无限：即超导体。

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。每一种超导体都有其特有的穿透深度。

任何完美的零电阻导电体都会因为简单的电磁感应现象，阻止通过其表面的磁通量改变。然而，超导体的迈斯纳效应跟这个有区别：当为了在外加磁场下到达超导态，而冷却一般导电体时，磁通量在相变期间会被排斥。这样的效应无法只用无限电导率来解释。它的解释比这个更复杂，最早由弗里茨·伦敦与海因茨·伦敦两兄弟在伦敦方程中提出。

后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。

迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性。迈斯纳效应指明了超导态是一个动态平衡状态，与如何进入超导态的途径无关，超导态的零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的基本属性。单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应。

为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久美国华裔科学家朱经武与台湾物理学家吴茂昆以及大陆科学家赵忠贤相继在钇－钡－铜－氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了。1987年底，铊－钡－钙－铜－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986年－1987年的短短一年多的时间里，临界超导温度提高了近100K。大约1993年，铊－汞－铜－钡－钙－氧系材料又把临界超导温度的记录提高到138K。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下

运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨，且进入产业化运作，现已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等。

在我国关于超导的研发中，超导材料经营经历了低温到高温的研发，第一代材料已经研究成熟，第二代材料由于其成本低更适用于产业化运作而被市场看好;超导产品品类逐渐增加，现已进行产业化运作的有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。虽然与国际尚有一定的差距，但部分领域的研发已经处于国际先进水平。

由于超导技术被认为将在一定程度上决定一个国家智能电网的竞争力，因此，对于超导产业而言，“十二五”期间，我国智能电网的全面建设将给该产业的发展提供良好的发展契机。

超导产业或将迎来“十年十倍”的快速增长，未来十年我国超导市场的规模约为1300-1600亿元，预计到2020年，该产值将达到750亿美元。

那么人们是如何解释超导现象的？内部机制是如何的？继续看看下文内容。1950年美籍德国人弗茹里赫与美国伊利诺斯大学的巴丁经过复杂的研究和推论后，同时提出：超导电性是电子与声子相互作用而产生的。他们认为金属中的电子在点阵中被正离子所包围，正离子被电子吸引而影响到正离子振动，并吸引其它电子形成了超导电流。

接着，美国伊利诺斯大学的巴丁、库柏和斯里弗提出超导电量子理论，他们认为：在超导态金属中电子以晶格波为媒介相互吸引而形成电子对，无数电子对相互重叠又常常互换搭配对象形成一个整体，电子对作为一个整体的流动产生了超导电流。由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一重要的理论预言了电子对能隙的存在，成功地解释了超导现象，被科学家界称作“巴库斯理论”。这一理论的提出标志着超导理论的正式建立，使超导研究进入了一个新的阶段。

1953年毕派德推广了伦敦的概念并得到与实验基本相符的超导穿透深度的数值。

1960-1961年美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，证明了巴库斯理论。他在大量实验中，曾多次测量到零电压的超导电流，但未引起他的重视。

1962年年仅20多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安