超导电现象与超导体

超导电现象与超导体

超导电性是某些物质在低温下出现的电阻为零和排斥磁感线的现象，这类物质称为超导体．

1911年，荷兰物理学家昂里斯发现，当温度降到4.2K时，水银的电阻突然消失，第一次发现了超导电现象．水银电阻随温度变化的实验曲线如图1所示．从图中可以看到，当温度T＞T1时，水银具有通常的导电性，处于正常态；当T＜T2时，水银的电阻完全消失，进入超导态．T1是从正常态向超导态转变的拐点处的温度，称为起始转变温度．T2是电阻完全消失的温度，称为零电阻温度．以后，人们又相继发现了28种元素在常压下、15种元素在高压下，具有超导性，五千多种合金和化合物也具有超导性，其电阻率随温度的变化也有类似于图1的曲线．

超导体的理想导电性和完全抗磁性是超导体的两个独立而又相互联系的基本性质，常用来作为确定物质是否具有超导性的判据．

理想导电性处于超导态下的超导体的电阻极小，在目前的测量精度内测不出来，说明其电阻率的上限为10-27Ω·m，仅为室温下铜的电阻率（1.67×10-8Ω·m）的千亿亿分之一，完全可以视为零．美国麻省理工学院在磁场中放上用超导材料做成的环，待环冷却至超导态后把磁场撤消，由于电磁感应在环中激起感应电流，经过两年半时间的观测，没有发现环中电流所激发的磁场有明显的衰减，说明电流无明显衰减．因此，可以设想，超导体内部一旦有电流通过，几乎会永远流下去．电流流动时没有能量损失，这样就可以把目前输电线路上损失掉的30%的能量节约下来，减少变电设备上的巨大投资和由于高压输电引起的火灾、触电等事故．如果把发电机的统组线圈换成超导体，就可做成体积小、重量轻、噪音低、功率大的发电机．利用超导体，日本在1987年还研制出了效率很高的容量为72千伏安的世界上最大的交流变压器，效率达98%．

因为超导体没有因线圈过热而被烧坏的担忧，可以通过强电流，（不能超过临界电流密度，即能够维持超导态，在超导体中流过的最大电流密度J c）以产生数十万高斯的磁场．可用它做成体积小、重量轻、稳定性好、均匀度高、易于启动、能长期运转、能量损失极少的超导磁体．例如要造一个能产生10万高斯的强磁场，要用内径为0.9m的螺线管，若采用铜线并用水冷却，所需消耗的功率为6万千瓦，冷却水用量为每秒10吨．若采用液氦温度的超导体，只需消耗10千瓦的功率来制造液氦，仅是利用铜导体的六千分之一；若采用液氮温区的超导体，则更省得多．这些超导磁体可用于高能加速器、受控热核反应等需要强磁场的地方，或储存能量，或利用它所产生的磁场梯度大的特点净化废水等．超导磁体还可用于

磁流体发电，也就是把气体加热电离，通过位于强磁场中的平行极板之间的区域，依靠洛仑兹力的作用使正负离子向两极板偏转，产生电动势．据测算，磁流体发电可使燃料利用率达60%，大大高于普通发电厂的40%的效率．1961年，昆兹勒等人首次用Nb3Sn线材绕成第一个强磁场超导磁体，可产生7万高斯的磁场．

完全抗磁性在电磁学中，我们把抗磁质内部磁感应强度小于外加磁感应强度的性质称为抗磁性．1933年，德国物理学家迈斯纳和奥克森费尔特发现，当超导体进入超导态后，超导体周围的磁感应线分布会发生变化，使超导体内部的磁感应强度接近为零，这种现象称为理想抗磁性．超导体在磁场中的理想抗磁性很类似于静电场中导体内部电场为零的情况．导体对静电场有屏蔽作用，电场线不能穿过导体进入（或穿出）导体；同样，超导体对磁场也有屏蔽作用，磁感线也不能穿越超导体，可用于进行磁屏蔽．超导体的理想抗磁性说明超导体本身可被视为一个磁体．若将其置于一外磁场中，为保证超导体内部磁感为零，超导体与外磁场必然形成同极性相对，如图2所示，由于同性相斥所形成的斥力可抵消重力的作用，使超导体悬浮于空中，日本已利用这一性质做成悬浮列车，速度达到每小时577公里．

绝缘层，组成一个SIS结，则绝缘层也会变成超导体，流过的电流是超导电流．只有当绝缘层内通过的直流电流不大于临界电流（约为10mA数量级以下）时才表现出超导性，故把这一现象称之为微超导电性．当SIS结中直流电流超过临界电流时，理想导电性消失，结上出现一个有限大小的电压，这时通过薄绝缘层的电流是正常电流．

因为SIS结两端电压在超导态时为零，在正常态时电压为V，这两个不同的状态可以表示1和0，用作计算机元件．这两种状态之间的转换很快，仅需8×10-11秒，用它组成双稳态触发器的翻转时间为4×10-10秒，比用晶体管的翻转时间要小得多．科学家们正致力于这方面的研究．将来，以SIS结为元件的计算机问世以后，计算速度将会提高10—100倍．利用SIS结还可组成超导量子干涉器件，用于测量磁场，精度可达10-11高斯；测量电压，精度可达10-15V；测量电流，精度可达10-8A；测量位移，精度可达10-15m，并且有灵敏度高、噪音小、功耗小和响应速度快等优点．此外，还可用于超低温测量、地质探矿、研究地质年代的构造等．

自发现超导现象后，人们不断从理论和实验两方面进行研究，进一步寻找高临界温度的超导材料．但从1911年到1986年几十年进展甚微，直至1986年—1987年间，才形成世界范围内的超导热．一方面是研究高临界转变温度的超导材料，并在金属陶瓷氧比物，如钡镧铜、钡钇铜、镧锶铜氧化物等上取得了突破．1986年1月发现了30K的超导材料；12月15日美籍科学家朱径武在40.2K发现了超导转变；12月26日中科院物理所赵忠贤等获得转变温度为48.6K的超导材料；12月30日朱径武在52.5K发现了超导转变；1987年2月又把它提高到98K；2月24日赵忠贤等获得起始转变温度在100K以上、零电阻温度为78.5K的超导材料，实现了液氮温区的超导体；3月中国科技大学获得起始转变温度为215K的材料，1989年2月制成零电阻温度为132K的铋铅锶锑钙铜氧超导体．

另一方面，自1987年4月开始，超导研究的重心转向超导机制的理论探索和应用技术的开发．在应用方面主要解决临界电流偏低，材料脆等问题．1990年4月，北京有色金属

研究总院成功制成了在2T强磁场下，临界电流密度达2.38×104A/cm2；7月上海冶金所采用熔融结构法研制成功钇钡铜氧块状超导材料，在77K、2.5T磁场下，电流密度超过4×104A/cm2．在世界处于领先地位；美国贝尔实验室采用快中子辐照氧化钇钡铜单晶体，使临界电流密度提高了100倍，达6×105A/cm2．美国马萨诺萨理工学院用在超导材料中掺入银等加热处理的方法，解决了材料脆的问题，使强度比超导陶瓷提高10倍，适于用作输电线．我国则早已制成零电阻温度为83.7K的超导线材和零电阻温度为77K的超导薄膜．1989年日本研制出第一台以SIS结为元件的电子计算机，运算速度达每秒10亿次，功耗6.2mW，仅为常规电子计算机功耗的千分之一．可以预见，在不远的将来，随着超导技术的广泛应用必将给其它领域的科学、技术以及人们的生产、生活带来巨大的变化