物体的超导电性及其应用

郭红艳

锦州广播电视大学 (锦州 121000)

物体的超导电性是在人类发展低温技术并不断在新的温度范围里探索物质的物理性质过程中发现的。最初是由荷兰科学家卡莫林-昂纳斯发现，到20世纪30年代，实验发现了迈斯纳效应，人们逐步认识了超导电性的基本原理，并发展了低温超导技术和高温超导技术。尤其是在液态氮温度范围内的高温超导材料的研究与发展获得了成功，是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一，已经成为世界各国科学界关注的焦点之一，数量庞大的科技人员投入到超导的研究与发展工作中。目前高温超导材料的研制发展迅速，部分已实现商品化，在电力输送、医疗设备、电子检测设备以及运输等方面获得应用，人们正在并将越来越感受到它给社会带来的巨大变革。

1 超导的发现

1911年，荷兰物理学家卡莫林-昂纳斯设计完成了如下一个试验：首先，昂纳斯逐步冷却水银，当温度降低到-40℃左右时，原本为液态的水银转变为固态，如同“结冰”一样；然后，他把“结冰”的水银拉成细丝，并持续降低温度；在这一过程中，他测量了不同温度下固体水银的电阻。发现其电阻变化并不十分显著。然而，当他把温度降到绝对温度4.2K（相当于-269℃）时，水银的电阻出现了急剧的变化，突然变成了零。这一试验结果一经发布立即引起轰动。后来，人们把这一物体电阻为零的现象称为超导现象，把出现超导现象，电阻等于零的材料叫超导材料。即：所谓超导电性是指当温度下降至一定程度时，某些物体突然失去电阻（电阻趋近于零）的现象；所谓超导材料是指具有超导现象这种特性的材料。

在其后的几十年间，昂纳斯及其他科学家通过不断的试验，又先后发现了28种超导元素和超过8 000种超导化合物。但是，这些材料大都在接近绝对零度，也就是-273℃的极低温时才出现超导现象，没有太大的实用价值和经济价值。直到1973年，科学家才研制出一种在23K(-250℃)温度出现超导现象的铌-锗合金。上世纪80年代，人类对于高温超导材料的研究取得突破，相继发现了在43K(-230℃)、78.5K(-194.5℃)和98K(-175℃)有超导现象的超导材料。1991年，科学家发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后，也有超导性。据此，我们可以期待，球状分子碳60经过掺金属后，有可能实现在室温下的超导现象。

2 超导材料的主要特性

2.1 零电阻效应

所谓零电阻效应是指：在一定温度以下，物体的电阻趋近于零的现象。这一现象是超导电性的主要外在表现，由荷兰物理学家昂纳斯发现。

昂纳斯采用“四引线电阻测量法”测量不同温度下汞的电阻变化，绘制出汞的R-T特性曲线，如图1所示。

图1中的Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值，其对应的温度为起始转变温度Ts；当电阻减小到Rn/2时，对应的温度为中点温度TM；当电阻减小至零时，对应的温度为零电阻温度T0。超导体的起始转变温度也称为超导临界温度TC。

图1 汞的R-T特性曲线

为了证明零电阻现象，有人做过这样一个试验：在磁场中放入一个超导线圈，并开始减低温度，直到TC以下，再把磁场去掉。根据电磁感应原理，超导线圈中将产生感应电流。在正常材料制成的线圈中，由于电阻的存在，这一感应电流很快就衰减为零；然而在超导线圈中，这一感应电流经过一年以上仍未见衰减。从而证明超导材料的零电阻效应存在。

2.2 迈斯纳效应

人类最早发现的超导电性就是其电阻为零，即：零电阻效应。但是，迈斯纳效应的发现否定了超导体是理想导体的说法。1933年，德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现，当放置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁感应线会一下子被完全排斥到超导体之外，超导体内磁感应强度变为零（见图2所示）。超导体的这一性质被称为迈斯纳效应。这一效应表明超导体是完全抗磁体，并指明超导态是一个热力学平衡的状态，与怎样进入超导态的途径无关。

图2 超导体内磁感应强度分布

迈斯纳效应表明，物体的超导态受其所处的磁场影响，可以被外磁场所破坏。在温度低于临界温度TC条件下，当外加磁场强度H小于某一临界值HC时，物体的超导态可以保持；当H大于HC时，物体的超导态会被突然破坏而转变成正常态。HC即称为临界磁场强度，其值与材料组成和环境温度等有关。

迈斯纳效应和零电阻效应是超导态的两个相互独立的基本特性，超导材料性能通常由超导临界温度TC和临界磁场强度HC两个因素决定。物体所处的环境温度和磁场强度高于临界值时，物体是一般导体；当低于临界数值时成为超导体。

2.3 同位素效应

除了上述两个基本特性外，科学家又相继发现了同位素效应、约瑟夫森效应、超导能隙等。

我们知道，质子数相同而中子数不同的元素在元素周期表中占同一位置，具有同样的核外电子层和相似的化学性质，称为该元素的同位素。试验表明，超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这称为同位素效应。例如，汞的质子数为80，它有七种同位素，其中，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146K。

2.4 超导隧道效应

超导隧道效应又称为约瑟夫效应。1962年，英国科学家约瑟夫从理论上预言：如果在两块超导体之间置一绝缘层(厚度约10埃)，绝缘层将会成为—个“弱”超导体，超导电流可在其中通过，形成隧道超导电流。约瑟夫的预言随后为实验所证实

3 超导材料及其应用

超导电性是物质的一种特殊形态，超导材料具有广泛的应用前景。

超导材料的零电阻效应使其具有无损耗传输电能的性质，并能实现发电机、电动机等的小型化而无需担心器件过热；迈斯纳效应使其具有完全的抗磁性质，从而制造超导磁体；超导隧道效应使得人们可以制造出更加灵敏的电磁信号探测元件和高速运行的计算机元件等。

3.1 主要的超导材料

目前，人类已经掌握的超导材料主要分为两类：合金材料和超导化合物。

3.1.1 合金材料

所谓合金材料就是在超导材料中加入某些其他元素形成合金，这些添加的元素可以使超导材料的全部性能提高。如早期使用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特(4.2K)。后来人们发现了铌钛合金，虽然其临界温度Tc有所降低，但临界磁场强度Hc有较大提高，在给定磁场能承载更大电流。其性能是 Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=11.0特；Nb-60Ti，Tc=9.3K，Hc=12特。目前铌钛合金是应用于强磁场下的主要超导磁体材料。如果在铌钛合金中再添加钽形成三元合金，性能可以进一步提高，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 超导化合物

所谓超导化合物是指超导材料与其他元素化合形成的化合物，这类化合物不仅超导临界温度Tc和临界磁场强度Hc较高，而且，临界电流密度JC也很高，从而具有了较好的超导性能。如已经广泛使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。

自从50年代初发现化合物超导材料以来，超导化合物研究发展迅速，目前已发现了数千种之多，包括金属间化合物、金属和非金属间的无机化合物及少数有机高分子化合物。

近年来，人们研究的重点是氧化物陶瓷超导材料，其超导临界温度接近100K，可在液氮温度(-196℃)区间工作，从而大大降低了超导体制冷的成本。

3.2 超导材料的应用

3.2.1 低温超导材料及应用

低温超导材料是指超导临界温度Tc<30K，即在液氦温度条件下工作的超导材料，包括：金属、合金和超导化合物。目前，具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，其Tc为9.3K，利用其制成的薄膜材料可用于弱电领域，被用于制造高精度电压表、超导量子干涉仪以及高速计算机等。低温超导合金材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，Tc在9K以上，有较广泛的用途。在强电磁场中，Nb-Ti（铌钛合金）超导材料可用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强场磁体、核磁共振中的均匀磁场、制造发电机和电动机线圈、高速列车上的磁悬浮线圈以及磁流体、电磁推进系统、超导储能等。低温超导材料由于临界温度Tc低，必须在液氦温度下使用，运转费用昂贵，故其应用受到限制。

3.2.2 高温超导材料及应用

高温超导材料是相对于传统超导材料而言的，具有较高的超导临界温度TC，能在液氮温区（77K）条件下工作的超导材料，主要为多元系氧化物。高温氧化物超导材料的发现，突破了温度壁垒，把超导材料应用的温度从液氦温区提高到了液氮温区。同液氦相比，液氮是一种更为经济的制冷材料，并且具有较高的热容量，适宜于工业应用。另外，高温超导体都具有相当高的临界磁场强度，能够用来产生20T以上的强磁场，从而有效的克服了常规低温超导材料的不足之处，在很大程度上扩大了超导材料的应用范围。

由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场，这就使得高温超导材料用途非常广泛。目前高温超导材料主要用于制造高温超导薄膜、高温超导无源微波器件等，这些器件和薄膜可以用来制造滤波器、谐振器、延迟线等。此外，高温超导材料还可用于制造超高速计算机的器件、微波通讯器件以及超导导线和变压器等。

人类对于超导电性和超导材料的研究在不断深入，尤其是高温超导材料研究的进展使得超导材料在常温下应用成为可能，超导材料将在很大程度上影响人类生存的许多重要领域。例如，人类解决能源问题的基本技术之一是受控热核反应，而实现受控热核反应就必须使用无损耗的超导体。因此，可以预见，超导材料和超导技术的发展将会在越来越广泛的范围里造福人类。

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