淺談超導體

hpligsh528 2015-01-22

展開全文

　　由于導體的電阻，在遠距離輸電等方面造成較大的電能浪費；如能生產(chǎn)一種超導體材料，沒有電阻，電流流經(jīng)它時將不受任何阻力，沒有熱損耗，于是就能以小的功率得到大的電流，從而產(chǎn)生幾個甚至幾十個特斯拉的超強磁場，將具有很高的應用價值。今天，這一切以成為現(xiàn)實。

　　一、超導體的基本特性

　　1．零電阻效應

　　超導現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)是與低溫技術(shù)的發(fā)展分不開的。1906年荷蘭著名低溫物理學家昂納斯（H．K．Onnes，1853—1926）首次制備出液態(tài)氮，獲得4開的低溫（相當于-269℃），隨后又獲得了1．04開的低溫。這是繼1898年制備出液態(tài)氫獲得14開低溫之后的巨大進展。隨著低溫技術(shù)的進展，科學家已注意到純金屬的電阻隨溫度的降低而減小的現(xiàn)象。昂納斯首先研究低溫下水銀電阻的變化。1911年發(fā)現(xiàn)了水銀的超導現(xiàn)象。在4．2開附近水銀電阻突然變小。圖1是水銀的電阻隨溫度的變化情況，縱坐標是該溫度下水銀電阻與0℃時電阻的比值：R（T）／R（0℃）。較精確的測量給出水銀的超導轉(zhuǎn)變溫度（臨界溫度）Tc＝4．153 開。繼續(xù)降溫到3開時，電阻降到僅為0℃時電阻值的10^-7Ω，電阻值實際已可看作零了。

圖1 水銀的零電阻效應

　　1912—1913年間昂納斯又發(fā)現(xiàn)錫（Sn）在3．8開低溫時，也有零電阻現(xiàn)象。隨后科學家們又發(fā)現(xiàn)了其他許多金屬或合金在低溫下都有零電阻效應。昂納斯首先將這種特殊的電學性質(zhì)稱為超導。昂納斯由于液氦的制備和超導現(xiàn)象的研究獲 l913 年諾貝爾物理學獎。

　　2．完全抗磁性

　　1933年，德國物理學家邁斯納（W．Meissner）通過實驗發(fā)現(xiàn)：當置于磁場中的導體通過冷卻過渡到超導態(tài)時，原來進入此導體中的磁感線會一下子被完全排斥到超導體之外（見圖2），超導體內(nèi)磁感應強度變?yōu)榱悖@表明超導體是完全抗磁體。這個現(xiàn)象稱為邁斯納效應。

　　3．存在臨界磁場

　　實驗表明，超導態(tài)可以被外磁場所破壞，在低于Tc的任一溫度T下，當外加磁場的磁感應強度B小于某一臨界值Bc時。超導態(tài)可以保持；當B大于Bc 時，超導態(tài)會被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。臨界磁場Bc不僅與超導體本身性質(zhì)有關(guān)，還與溫度T有關(guān)。

　　4．同位素效應

　　超導體的臨界溫Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這稱為同位素效應。例如，原子量為199．55的汞同位素，它的Tc 是4．18開，而原子量為203．4的汞同位素，Tc 為4．146開。

　　二、常規(guī)超導與高溫超導

　　常規(guī)超導材料按其化學組成可分為三種：元素超導體、合金超導體和化合物超導體。大部分金屬元素都具有超導電性，但是在室溫下，導電性能非常好的一些金屬元素（如金、銀、銅等）卻在很低的溫度下都不是超導體。實用超導材料主要是合金型和化合物型兩大類，這是由于它們具有易制備、成本低、塑性好等優(yōu)點。

　　合金型目前主要是鈮鈦合金（NbTi，Tc＝9．5開），比較成熟，已達到了商品化。另外，用得較多的一些化合物超導材料主要有鈮三錫（Nb 3 Sn，T c＝18．3開）、釩三鎵（V₃Ga，Tc＝16．5開）和釩三硅（V₃Si，Tc＝17．1開）等。由此可見臨界溫度也是非常低，制約了超導材料的發(fā)展。直到1987年2月24日中國科學院宣布，趙忠賢領(lǐng)導的科研組已將釔鋇銅氧（YBaC）材料的T c提高到了92．8 開以上，從而實現(xiàn)了超導在高溫區(qū)的突破，大大擴展了超導的應用前景。

　　三、超導應用簡介

　　高溫超導研究所以會引起世界各國科學家的關(guān)注，就是因其有巨大的科學和經(jīng)濟價值。

　　在交通運輸方面，利用超導體的無電阻和抗磁性的特點，已研制出時速超過 550 千米的磁懸浮列車。

　　在節(jié)能方面可制造功率極大、體積小、效率高的超導發(fā)電機，這種電機載流能力比常規(guī)電機高1—2個數(shù)量級。利用超導電纜可實現(xiàn)無損耗長距離輸電，而目前30％的電能在輸送電路上損耗掉。1998 年我國第一根鉍系高溫超導輸電電纜研制成功，運載電流達到1200安培，使我國成為世界上少數(shù)幾個掌握這一技術(shù)的國家。