淺談超導及其應用

許芮祥

摘 要：本文從導體電阻出發，引入超導概念，具體介紹了超導體與理想導體的區別，并就當前超導材料的應用做了相關闡述，之后分析了超導目前的應用難點。

關鍵詞：電阻；超導體；理想導體；磁懸浮

中圖分類號：TM249.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0209-02

1 前言

每一種材料都有電阻，只不過每種材料的電阻值不同罷了。對于金屬來說，其電阻值較小，所以是良導體，因此他們被制成了導電的設備，而對于陶瓷這類電阻值較大的絕緣體也有著它們的應用。電阻也就是導體對電流的阻礙作用的大小，它在物理學中有著重要的含義。對于一個材料，如果通上電之后，電流在其內部流動時就如同水流在河流中流淌一樣。若河流中有石頭時，水流就會受到阻礙而減速，同樣材料內部的原子也會阻礙電子流動，電流中的部分載流子如電子就會與晶格中的原子發生碰撞且反彈方向各不相同，導致這些載流子向各個方向反彈，偏離了電流方向，使得電流所在的方向上電子流動速度變慢，從而導致電流強度減弱，出現電壓降，也就有了電阻。在載流子和晶格中的原子發生碰撞時根據能量守恒就可以知道載流子所失去的能量轉移到了原子身上，這種能量消耗最終會通過對外的熱輻射或其他能量的方式表現出來，所以一般設備在導電的同時會變熱。尤其是在高壓電纜上會有嚴重的熱損耗，所以如果能夠用沒有電阻的導體制成電纜就可以完美地解決這些問題。這也就是我們經常可以聽到的超導體，超導體作為國內目前比較熱門的研究方向，不僅在前沿科學中有著巨大的研究價值，在當前的應用科學中也是有著極大的潛力。雖然超導體還沒有如我們所設想的那樣，廣泛地應用于日常生活中，但是由于目前人們對超導體有極大的熱情與需求，在不久的將來，人們一定可以用上超導電纜，讓超導材料真正的進入尋常生活中去。

2 超導體的發現及與理想導體的區別

超導體其實就是一種在某一溫度下電阻變為零的導體。1911年，荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人在制備出液氦之后，成功將溫度降至4K及以下之后，測量了汞的電性能，發現汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導狀態。這是人類第一次發現超導體。這也就說明了超導體沒有電阻，具有完全導電性。但是超導體還具有完全抗磁性。對于普通的導體，磁力線會穿過去，但是對于超導體，由于其內部無磁通，所以磁力線則會繞開，與之不接觸。因為當超導體處在一個磁場中時，由于超導體內部磁場總是零，所以我們可以將超導體看作為成一個完全抗磁的磁介質。假定外部磁場強度為H，超導體內部的磁感應強度為B，則這兩個磁場的關系則為B=μ0 （H+M），其中μ0為真空磁導率，M=χMH，磁化率χM=-1，最后磁感應強度為零，所以在超導體內部兩磁場互相抵消了，這樣就可以將超導體看成一個具有完全抗磁性的無電阻導體。

對于理想導體，它的電阻也為零。有歐姆定律R=，根據均勻電場場強公式E=、電流密度J=、電阻R=ρ，可以得到原公式變形，為ρ=，消去相同的可得ρ=，即J=，又因為電導率σ是電阻率的倒數，所以J=σE。當電導率σ為無限大時，那么電場場強也就為零。由楞次定律電場場強E=-（Nφ），因為電場場強為零，所以Nφ是一個與時間無關的函數，則Nφ為常數。又因為線圈圈數N為一個常數，則磁通量φ也就為一個常數，所以當溫度發生變化的時候，理想導體內部磁感應強度并沒有隨時間發生變化。

在一個理想試驗中，一共有兩組，每一組都有一個超導體和一個理想導體，外界溫度為T、臨界溫度為TC。在第一組（圖1左）中，初始時，外界溫度T低于臨界溫度TC，兩導體內部磁感應強度均為零，再將兩導體同時放入磁場中，兩導體內部磁感應強度沒有發生變化還是零；在第二組（圖1右）中，先將兩導體放在磁場中，并使得兩導體所處的外界溫度T高于臨界溫度TC，此時兩導體內磁感應強度都不是零；再將其周圍溫度降到臨界溫度TC以下，此時會發現超導體內部磁感應強度為零，而理想導體內部磁感應強度卻不是零。所以可以得出結論：超導體沒有電阻，完全是抗磁性的，在溫度低于臨界溫度TC時，內部磁感應強度為零；理想導體電阻也為零，但當溫度變化時，其內部磁感應強度不隨時間變化。

對于某些物質達到超導是因為當溫度降到一定程度時，在晶格振動的影響下，費米面附近的電子，原本因為電子間的庫侖力作用相互排斥，但只要它們滿足相反的動量和自旋，就能兩兩地結合成電子對，也就是說，形成庫珀對然后成為超導電流，從而電阻消失。

3 超導的應用

超導的應用非常多，由于篇幅原因，只能列舉其中的一部分應用。

在磁懸浮列車的超導中，目前世界上開發的超導體磁懸浮列車的速度可達每小時500公里，比一般的螺旋槳飛機的速度（350公里每小時）還要快。

在高溫超導傳輸電纜中，高溫超導交流電纜基本可以實現零電阻運行，由于交流損耗和漏熱引起的損耗，總損耗約為傳統電纜的一半；高溫超導直流電纜的總損耗可以是傳統電纜的1/10。

在高溫超導風力發電機方面。由于銅導線的電流密度限制，傳統風扇設計的輸出功率的增加直接增加了風扇的體積和質量，除了其他部件的體積和質量之外，風扇的電動功率還受到限制。如果將高溫超導材料應用于直接驅動風力發電機，則發動機的體積大約可以減小到傳統電機體積的1/5到1/3，從而增加機功率。

4 超導體應用面臨的難題

盡管超導體性能良好，但是其應用方面還是存在著不少的難題，并且主要分為以下三個方面。第一是溫度，如最先發現的超導金屬汞，它的臨界溫度僅為4.2K，這樣低的溫度只能通過液氦維持。但是作為一種稀有氣體，氦氣只能從天然氣或鈾礦提取。材料很少，維持低溫環境的液氦消耗遠遠大于超導材料節省的功耗。所以要想克服這個條件就得尋找轉變溫度高的超導體。即使找到了這樣的超導體，也不一定能實現實際應用，因為其中的載流子濃度不一定很高能夠達到日常導線的效果；或者其需要其他的條件，比如說高壓環境下，但這也是很難去滿足的。第二是電流密度，超導體雖然電阻為零，但其能夠承載的電流并非可以無限大，電流密度存在一定上限。一旦超過這個上限，超導體將立即變為電阻，恢復到正常狀態，然后迅速升溫，結果諸如液氦這樣的冷卻劑就會迅速沸騰，設備立即失效，導致系統失效，并且存在極大的安全風險。第三是磁場強度，超導體雖然具有完全抗磁性，但是其所能夠承受的磁場強度也同樣存在著一定的上限，超過這個上限，同樣會恢復成正常態。所以要讓超導體正常地工作就必須同時滿足其自身狀態均處在三個閾值之內，即超導體的臨界溫度要高（TC）、臨界電流密度要大（JC）、臨界磁場要強（HC）。

就比如之前我們所要解決的普通電纜線耗能的問題。我們知道普通電纜大體上體和包裹導體的絕緣材料組成的，但是對于超導電纜線，不僅僅包括以上兩個方面，因為它要確保以上三個約束條件，其中的臨界磁場和臨界溫度尤為重要。因此對于超導電纜來說，它往往會有好幾層的包裹層，最里面的一層是超導體，在這個超導體外層還要有保持它能夠低于超導臨界溫度的液氮或者液氦這樣的冷卻劑，最后在其外面可能還要包裹上屏蔽磁場的絕熱絕緣材料。這層層的包裝也極大的增加了超導電纜制作的難度，更不要說將其做細做小放入日常的電機或者電子產品中，還是有著很長的一段研發路程。

5 總結與展望

本文簡略介紹了超導體的定義以及與理想導體的區別，并就目前的應用作了簡單描述，最后敘述了超導體大規模應用可能存在的難題。同時中國在超導這一領域的貢獻也是巨大的，在不久的將來，國內超導材料的研究與應用一定會加速發展，解決國家需求，發揮低碳材料的作用，在國家低碳競爭力中占據戰略制高點。

參考文獻

[1]岳小萍.理想導體與超導抗磁性[J].新鄉學院學報（自然科學版），2011，28（04）：314-316.

[2]王家素，王素玉.高溫超導磁懸浮列車研究綜述[J].電氣工程學報，2015，10（11）：1-10.