神奇的超導現象

袁盟翔 向佳穎 張凱翔 石凝一

一、什么是超導

我們都知道歐姆定律：在同一電路中，通過某段導體的電流跟這段導體兩端的電壓成正比，跟這段導體的電阻成反比。該定律是由德國物理學家喬治·西蒙·歐姆1826年4月發表的《金屬導電定律的測定》論文提出的。

隨研究電路工作的進展，人們逐漸認識到歐姆定律的重要性，歐姆本人的聲譽也大大提高。為了紀念歐姆對電磁學的貢獻，物理學界將電阻的單位命名為歐姆，以符號Ω表示。[1]

那么當電阻R為零時會怎樣那？

1911年，荷蘭萊頓大學的H·卡茂林·昂內斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃（4.2K）時，汞的電阻突然消失。后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特殊導電性能，H·卡茂林·昂內斯稱之為超導態。昂內斯由于他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

超導是指某些物質在一定溫度條件下（一般為較低溫度）電阻降為零的性質。

二、超導體的三個基本特性

超導體具有三個基本特性：完全電導性、完全抗磁性、通量量子化。

1、邁納斯效應：完全抗磁（邁斯納效應）——超導體最重要特征[2]

邁斯納效應指明了超導態是一個動態平衡狀態，與如何進入超導態的途徑無關，超導態的零電阻現象和邁斯納效應是超導態的兩個相互獨立，又相互聯系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應的存在，但零電阻效應又是邁斯納效應的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導體，必須看是否同時具備零電阻和邁斯納效應。

2、完全導電性

完全電導性又稱零電阻效應，指溫度降低至某一溫度以下，電阻突然消失的現象。完全電導性適用于直流電，超導體在處于交變電流或交變磁場的情況下，會出現交流損耗，且頻率越高，損耗越大。[3]交流損耗是超導體實際應用中需要解決的一個重要問題，在宏觀上，交流損耗由超導材料內部產生的感應電場與感生電流密度不同引起；在微觀上，交流損耗由量子化磁通線粘滯運動引起。交流損耗是表征超導材料性能的一個重要參數，如果交流損耗能夠降低，則可以降低超導裝置的制冷費用，提高運行的穩定性。[4]

3、通量量子化

通量量子化又稱約瑟夫森效應，指當兩層超導體之間的絕緣層薄至原子尺寸時，電子對可以穿過絕緣層產生隧道電流的現象，即在超導體（superconductor）—絕緣體（insulator）—超導體（superconductor）結構可以產生超導電流。

約瑟夫森效應是超導弱磁技術的理論基礎。

三、超導技術的應用

超導技術是一項具有重要應用價值和巨大開發前景的高技術，它在軍事上的潛在應用可分為強磁和弱磁兩大類。超導強磁技術主要是利用超導材料能夠產生很高的穩態強磁場，據此將可制成超導儲能裝置、超導電機和電磁推進裝置。

1、超導儲能裝置：這種儲能裝置將可長時期儲存大量的能量，然后根據需要加以釋放。大型超導儲能系統將可作為陸基自由電子激光器或天基定向能武器的功率源；

2、超導電機：這種電機的體積和質量將比常規電機顯著縮小，功率成倍增長，效率大大提高，可為武器裝備提供動力；

3、電磁推進裝置：用超導強磁材料制造的電磁推進裝置，把電能直接轉變為動力，將能以很高的速度推進大質量的物體，在軍事上用作艦艇的動力裝置，可消除傳動噪聲，提高隱蔽性；也可用作電磁炮的動力裝置。

五、超導的研究趨勢

1、銅氧超導體

銅氧超導體包括90K的稀土系，110K的鉍系，125K的鉈系，135K的汞系超導體。它們都含有銅和氧，因此稱為銅氧超導體。銅氧超導體具有相似的層狀結晶結構，其中銅氧層是超導層。

目前，對銅氧超導體的研究呈現以下趨勢：首先，銅氧超導體已經較為成熟，如由鉈-鋇-鈣-銅-氧超導薄膜制成的裝置，已應用于移動電話的發射塔，以增加容量，減少斷線和外界干擾。[5]其次，銅氧超導體的基礎研究處在瓶頸階段，轉變溫度一直以來不能突破164K。再次，對銅氧超導體的機理研究有所進展。

2、鐵基超導體

鐵基超導體之所以受到關注，原因有兩點：其一，Fe離子是磁性離子，打破了磁性離子不利于超導的觀點，為探索新的超導體提供了一種思路；其二，類似于銅氧超導體，鐵基超導體也存在強的電子與自旋相互作用，對探明高溫超導機理有參考價值。[6]

3、硼化鎂超導體

硼化鎂的轉變溫度幾乎高達其他同類型超導體的兩倍，而它的實際工作溫度為20～30K。要達到這個溫度可借由液態氖、液態氫或是封閉循環式冷凍機來完成降溫。比起目前工業界以液態氦來冷卻鈮合金（4K），這些方法既簡單又省錢。一旦摻雜了碳或其他雜質，硼化鎂在有磁場或有電流通過的情況下，維持超導性的能力不亞于鈮合金，甚至更好。

六、結語

超導的世界神奇而浩渺，它的應用領域廣泛，許多未知的東西等待我們去探索，超導材料的實用化已取得較大進展，它在大電流技術中的應用前景是最激動人心的。讓我們努力學好基礎知識，為今后能在科學的海洋里自由翱翔而奮斗！

參考文獻：

[1]喬治·西蒙·歐姆——歐姆定律.學科王[引用日期2013-12-04]；

[2]馮慶榮[C]，超導的發現與應用[J]2010-第六屆全國高等學校物理實驗教學研討會；

[3]鄭冀，梁輝，馬衛兵 等.材料物理性能：天津大學出版社，2008；

[4]金翀，李振明，丘明.熱測法測量高溫超導材料交流損耗的研究綜述[J].低溫工程，2010（6）：19-24；

[5]Yang Y，Li L，Wu Y.Transmission electron microscopy study of low-temperature post-annealed Tl2Ba2CaCu2O8 thin films[J].Superconductor Science&Technology;，1997，10（3）：156-160.

[6]趙忠賢，于淥.鐵基超導體物性基礎研究：上海科學技術出版社，2013：1；