物體的超導電性及其應用

郭紅艷

錦州廣播電視大學 (錦州 121000)

物體的超導電性是在人類發展低溫技術并不斷在新的溫度范圍里探索物質的物理性質過程中發現的。最初是由荷蘭科學家卡莫林-昂納斯發現，到20世紀30年代，實驗發現了邁斯納效應，人們逐步認識了超導電性的基本原理，并發展了低溫超導技術和高溫超導技術。尤其是在液態氮溫度范圍內的高溫超導材料的研究與發展獲得了成功，是最近幾十年來物理學及材料科學領域中的重大突破之一，已經成為世界各國科學界關注的焦點之一，數量龐大的科技人員投入到超導的研究與發展工作中。目前高溫超導材料的研制發展迅速，部分已實現商品化，在電力輸送、醫療設備、電子檢測設備以及運輸等方面獲得應用，人們正在并將越來越感受到它給社會帶來的巨大變革。

1 超導的發現

1911年，荷蘭物理學家卡莫林-昂納斯設計完成了如下一個試驗：首先，昂納斯逐步冷卻水銀，當溫度降低到-40℃左右時，原本為液態的水銀轉變為固態，如同“結冰”一樣；然后，他把“結冰”的水銀拉成細絲，并持續降低溫度；在這一過程中，他測量了不同溫度下固體水銀的電阻。發現其電阻變化并不十分顯著。然而，當他把溫度降到絕對溫度4.2K（相當于-269℃）時，水銀的電阻出現了急劇的變化，突然變成了零。這一試驗結果一經發布立即引起轟動。后來，人們把這一物體電阻為零的現象稱為超導現象，把出現超導現象，電阻等于零的材料叫超導材料。即：所謂超導電性是指當溫度下降至一定程度時，某些物體突然失去電阻（電阻趨近于零）的現象；所謂超導材料是指具有超導現象這種特性的材料。

在其后的幾十年間，昂納斯及其他科學家通過不斷的試驗，又先后發現了28種超導元素和超過8 000種超導化合物。但是，這些材料大都在接近絕對零度，也就是-273℃的極低溫時才出現超導現象，沒有太大的實用價值和經濟價值。直到1973年，科學家才研制出一種在23K(-250℃)溫度出現超導現象的鈮-鍺合金。上世紀80年代，人類對于高溫超導材料的研究取得突破，相繼發現了在43K(-230℃)、78.5K(-194.5℃)和98K(-175℃)有超導現象的超導材料。1991年，科學家發現了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后，也有超導性。據此，我們可以期待，球狀分子碳60經過摻金屬后，有可能實現在室溫下的超導現象。

2 超導材料的主要特性

2.1 零電阻效應

所謂零電阻效應是指：在一定溫度以下，物體的電阻趨近于零的現象。這一現象是超導電性的主要外在表現，由荷蘭物理學家昂納斯發現。

昂納斯采用“四引線電阻測量法”測量不同溫度下汞的電阻變化，繪制出汞的R-T特性曲線，如圖1所示。

圖1中的Rn為電阻開始急劇減小時的電阻值，其對應的溫度為起始轉變溫度Ts；當電阻減小到Rn/2時，對應的溫度為中點溫度TM；當電阻減小至零時，對應的溫度為零電阻溫度T0。超導體的起始轉變溫度也稱為超導臨界溫度TC。

圖1 汞的R-T特性曲線

為了證明零電阻現象，有人做過這樣一個試驗：在磁場中放入一個超導線圈，并開始減低溫度，直到TC以下，再把磁場去掉。根據電磁感應原理，超導線圈中將產生感應電流。在正常材料制成的線圈中，由于電阻的存在，這一感應電流很快就衰減為零；然而在超導線圈中，這一感應電流經過一年以上仍未見衰減。從而證明超導材料的零電阻效應存在。

2.2 邁斯納效應

人類最早發現的超導電性就是其電阻為零，即：零電阻效應。但是，邁斯納效應的發現否定了超導體是理想導體的說法。1933年，德國物理學家邁斯納和奧森菲爾德對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發現，當放置于磁場中的導體通過冷卻過渡到超導態時，原來進入此導體中的磁感應線會一下子被完全排斥到超導體之外，超導體內磁感應強度變為零（見圖2所示）。超導體的這一性質被稱為邁斯納效應。這一效應表明超導體是完全抗磁體，并指明超導態是一個熱力學平衡的狀態，與怎樣進入超導態的途徑無關。

圖2 超導體內磁感應強度分布

邁斯納效應表明，物體的超導態受其所處的磁場影響，可以被外磁場所破壞。在溫度低于臨界溫度TC條件下，當外加磁場強度H小于某一臨界值HC時，物體的超導態可以保持；當H大于HC時，物體的超導態會被突然破壞而轉變成正常態。HC即稱為臨界磁場強度，其值與材料組成和環境溫度等有關。

邁斯納效應和零電阻效應是超導態的兩個相互獨立的基本特性，超導材料性能通常由超導臨界溫度TC和臨界磁場強度HC兩個因素決定。物體所處的環境溫度和磁場強度高于臨界值時，物體是一般導體；當低于臨界數值時成為超導體。

2.3 同位素效應

除了上述兩個基本特性外，科學家又相繼發現了同位素效應、約瑟夫森效應、超導能隙等。

我們知道，質子數相同而中子數不同的元素在元素周期表中占同一位置，具有同樣的核外電子層和相似的化學性質，稱為該元素的同位素。試驗表明，超導體的臨界溫度TC與其同位素質量M有關。M越大，TC越低，這稱為同位素效應。例如，汞的質子數為80，它有七種同位素，其中，原子量為199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量為203.4的汞同位素，TC為4.146K。

2.4 超導隧道效應

超導隧道效應又稱為約瑟夫效應。1962年，英國科學家約瑟夫從理論上預言：如果在兩塊超導體之間置一絕緣層(厚度約10埃)，絕緣層將會成為—個“弱”超導體，超導電流可在其中通過，形成隧道超導電流。約瑟夫的預言隨后為實驗所證實

3 超導材料及其應用

超導電性是物質的一種特殊形態，超導材料具有廣泛的應用前景。

超導材料的零電阻效應使其具有無損耗傳輸電能的性質，并能實現發電機、電動機等的小型化而無需擔心器件過熱；邁斯納效應使其具有完全的抗磁性質，從而制造超導磁體；超導隧道效應使得人們可以制造出更加靈敏的電磁信號探測元件和高速運行的計算機元件等。

3.1 主要的超導材料

目前，人類已經掌握的超導材料主要分為兩類：合金材料和超導化合物。

3.1.1 合金材料

所謂合金材料就是在超導材料中加入某些其他元素形成合金，這些添加的元素可以使超導材料的全部性能提高。如早期使用的鈮鋯合金(Nb-75Zr)，其Tc為10.8K，Hc為8.7特(4.2K)。后來人們發現了鈮鈦合金，雖然其臨界溫度Tc有所降低，但臨界磁場強度Hc有較大提高，在給定磁場能承載更大電流。其性能是 Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特。目前鈮鈦合金是應用于強磁場下的主要超導磁體材料。如果在鈮鈦合金中再添加鉭形成三元合金，性能可以進一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

3.1.2 超導化合物

所謂超導化合物是指超導材料與其他元素化合形成的化合物，這類化合物不僅超導臨界溫度Tc和臨界磁場強度Hc較高，而且，臨界電流密度JC也很高，從而具有了較好的超導性能。如已經廣泛使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。

自從50年代初發現化合物超導材料以來，超導化合物研究發展迅速，目前已發現了數千種之多，包括金屬間化合物、金屬和非金屬間的無機化合物及少數有機高分子化合物。

近年來，人們研究的重點是氧化物陶瓷超導材料，其超導臨界溫度接近100K，可在液氮溫度(-196℃)區間工作，從而大大降低了超導體制冷的成本。

3.2 超導材料的應用

3.2.1 低溫超導材料及應用

低溫超導材料是指超導臨界溫度Tc<30K，即在液氦溫度條件下工作的超導材料，包括：金屬、合金和超導化合物。目前，具有實用價值的低溫超導金屬是Nb(鈮)，其Tc為9.3K，利用其制成的薄膜材料可用于弱電領域，被用于制造高精度電壓表、超導量子干涉儀以及高速計算機等。低溫超導合金材料是以Nb為基的二元或三元合金組成的β相固溶體，Tc在9K以上，有較廣泛的用途。在強電磁場中，Nb-Ti（鈮鈦合金）超導材料可用于高能物理受控熱核反應和凝聚態物理研究的強場磁體、核磁共振中的均勻磁場、制造發電機和電動機線圈、高速列車上的磁懸浮線圈以及磁流體、電磁推進系統、超導儲能等。低溫超導材料由于臨界溫度Tc低，必須在液氦溫度下使用，運轉費用昂貴，故其應用受到限制。

3.2.2 高溫超導材料及應用

高溫超導材料是相對于傳統超導材料而言的，具有較高的超導臨界溫度TC，能在液氮溫區（77K）條件下工作的超導材料，主要為多元系氧化物。高溫氧化物超導材料的發現，突破了溫度壁壘，把超導材料應用的溫度從液氦溫區提高到了液氮溫區。同液氦相比，液氮是一種更為經濟的制冷材料，并且具有較高的熱容量，適宜于工業應用。另外，高溫超導體都具有相當高的臨界磁場強度，能夠用來產生20T以上的強磁場，從而有效的克服了常規低溫超導材料的不足之處，在很大程度上擴大了超導材料的應用范圍。

由于超導材具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得的穩定強磁場，這就使得高溫超導材料用途非常廣泛。目前高溫超導材料主要用于制造高溫超導薄膜、高溫超導無源微波器件等，這些器件和薄膜可以用來制造濾波器、諧振器、延遲線等。此外，高溫超導材料還可用于制造超高速計算機的器件、微波通訊器件以及超導導線和變壓器等。

人類對于超導電性和超導材料的研究在不斷深入，尤其是高溫超導材料研究的進展使得超導材料在常溫下應用成為可能，超導材料將在很大程度上影響人類生存的許多重要領域。例如，人類解決能源問題的基本技術之一是受控熱核反應，而實現受控熱核反應就必須使用無損耗的超導體。因此，可以預見，超導材料和超導技術的發展將會在越來越廣泛的范圍里造福人類。

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