超导现象简介

超导现象简介

超导现象：某些物质在温度降低到一定值时电阻会完全消失，这种现象称为超导电性。超导技术的开发和应用对国民经济、军事技术、科学实验与医疗卫生等具有重大价值。

具有超导电性的物质称为超导材料或超导体。超导材料包括金属低温超导材料、陶瓷高温超导材料和有机超导材料等。

发展概况：超导电性是荷兰科学家H.K.昂尼斯1911年发现的，他在做低温实验时，意外发现汞线冷却到4ZK时电阻突然消失了。随后科学家们发现许多金属、合金和金属间化合物也具有这种特性。1933 年，德国人W.迈斯纳发现超导体具有高抗磁性，使磁力线不能透人，人们称之为迈斯纳效应。1957年美国人J.巴丁、LN.库泊、J.R.施里弗共同提出超导微观理论(BCS理论)。1962年，英国人BD.约瑟夫森从理论上预言超导电流能够穿过一层极薄的绝缘体进入另一超导体，形成隧道超导电流。这种约瑟夫森效应随后为实验所证实。1986 年初，美国国际商用机器公司苏黎世研究所的K.A.马勒和J.G.贝诺斯发现，钡钢铜氧化合物在30K时呈现超导电性。这种陶瓷超导材料的发现，为超导技术的发展开辟了新的途径。1986年以前发现的超导材料是良导体金属、合金和金属间化合物，其临界温度最高不过232K，而马勒和贝诺斯发现的超导材料却是氧化物，临界温度比低温超导体高得多，对超导研究具有划时代的意义，世界各国对此都十分重视。1987年中国成立了超导技术专家委员会和国家超导技术联合研究开发中心，统一领导全国的超导研究工作;同年7月美国总统提出《总统超导倡议》，要求政府采取必要措施支持高温超导研究;日本政府和民间企业、大学制订了共同开发超导材料的计划。各国超导科学家以陶瓷材料为对象寻找高临界温度的超导材料，形成了一股世界性的超导研究热，忆钡铜氧化合物、秘锯钙铜氧化合物、铂钡钙铜氧化合物等高温超导材料不断涌现。自1986年以来，中国在高温超导技术攻关中取得了一系列重大成就，在某些领域达到了国际领先水平。超导材料特性超导材料最重要的特性是完全电导性和完全抗磁性。完全电导性是指在一定的温度条件下超导体的电阻为零，在这种状态下，超导体不仅可以无损耗地输送电流，而且在储存电能时也不会有损失。完全抗磁性是指材料一旦进人超导状态，磁力线就不能穿过超导体，其内部磁通量等于零。这两个特性是衡量

一种材料是否属于超导体的标准。超导材料的另一个特性是具有约瑟夫森效应或超导隧道效应，即在两块超导体之间置一绝缘层(厚度约10埃)，这时的绝缘层会成为一个“弱”超导体，电流可在其中通过。判断超导材料性能的指标是临界温度(Tc)、临界磁场(Hc)和临界电流(tc)。临界温度是指物质从有电阻变为无电阻的温度;临界磁场是指在一定的温度和无电流存在的情况下，超导体超导电性消失时的磁场阂值;临界电流是指能使超导体由超导态转变为正常态的电流密度值。Tc、Hc 和Ic数值越大，超导体的性能越好。

超导技术以及潜在应用：超导技术是研究物质在超导状态下的性质、功能以及超导材料、超导器件的研制、开发和应用的技术，是应用价值和巨大开发前景的高技术，它在军事上的潜在应用可分为强磁和弱磁两大类。超导强磁技术主要是利用超导材料能够产生很高的稳态强磁场，据此将可制成超导储能装置、超导电机和电磁推进装置。①超导储能装置。这种储能装置将可长时期储存大量的能量，然后根据需要加以释放。大型超导储能系统(储能1012焦耳)将可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源。②超导电机。这种电机的体积和质量将比常规电机显著缩小，功率成倍增长，效率大大提高，可为武器装备提供动力。③电磁推进装置。用超导强磁材料制造的电磁推进装置，把电能直接转变为动力，将能以很高的速度推进大质量的物体，在军事上用作舰艇的动力装置，可消除传动噪声，提高隐蔽性;也可用作电磁炮的动力装置。超导弱磁技术的理论基础是约瑟夫森效应。利用这种效应制成的超导电子器件，将具有功耗低、噪声小、灵敏度高、反应速度快等特点，可进行高精度、弱信号的电磁视l量，也司一用作超高速电子计算机元器件等。主要的超导电子器件有:①超导弱磁探坝lj器件。超导量子干涉仪、电磁传感器和磁强计等，对磁场和电磁辐射的灵敏度比常规器件高得多，可用于军事侦察。②超导计算机。采用约瑟夫森器件的超导计算机，运算速度将比普通计算机快几十倍，功耗减少到千分之一以下，散热性能很好。③超导高频探测器。如超导红外探测器、参量放大器、混频器、功率放大器等，将使空间监视、通信、导航、气象和武器系统的性能远远超过利用常规器件时的性能。发展趋势超导技术总的发展趋势是，加强超导机理和应用技术的研究，探索临界温度更高、性能更优良的新超导材料。关键问题之一是进一步探明超导材料特别是高温超导材料的性能和物理特性，另一个关键问题是高温

超导材料的合成与加工。超导突破液氮温区，给超导应用技术和理论带来一系列问题，新的高温超导材料大多具有各向异性、脆性以及难加工等特点，要达到实用化，必须在材料的合成和加工技术上取得突破，解决性能稳定化、薄膜化、集成化、线材化和批量化生产等难题。把超导体禾!半导体集成电路结合在一起，实现超导体与半导体器件一体化，也是国际上重点发展方向之一。

超导材料：无论是低临界温度超导材料还是1986年以后发现的高临界温度超导材料，都离不开低温条件。所不同的是前者必须工作在液体氦的环境中，而后者大多数只需在液体氮的条件下。利用气体的液化是创造一个低温环境的重要手段。

其中低温超导材料是具有低临界转变温度（Tc＜30K），在液氦温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，Tc为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb 为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上。最早研究的是NbZr 合金，在此基础上又出现了NbTi合金。NbTi合金的超导电性和加工性能均优于NbZr合金，其使用已占低温超导合金的95％左右。NbTi合金可用一般难熔金属的加工方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜（或铝）为基体的多芯复合超导线，最后用冶金方法使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相（α＋β）合金，以满足使用要求。化合物低温超导材料有NbN(Tc＝16K)、

Nb

3Sn(Tc＝18.1K)和V

3

Ga（Tc＝16.8K）。NbN多以薄膜形式使用，由于其稳定

性好，已制成实用的弱电元器件。Nb

3Sn是脆性化合物，它和V

3

Ga可以纯铜或

青铜合金为基体材料，采用固态扩散法制备。为了提高Nb

3Sn（V

3

Ga）的超导性

能和改善其工艺性能，有时加入一些合金元素，如Ti、Mg等。

低温超导材料已得到广泛应用。在强电磁场中，NbTi超导材料用作高能物理的加速器、探测器、等离子体磁约束、超导储能、超导电机及医用磁共振人体成像仪等；Nb

3

Sn超导材料除用于制作大量小型高磁场（710T）磁体外，还用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体；用Nb及NbN薄膜制成的低温仪器，已用于军事及医学领域检测极弱电磁信号。低温超导材料由于Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用仍受到限制。

物理091 09103110 黄骏