郭紅艷

錦州廣播電視大學(xué) (錦州 121000)

物體的超導(dǎo)電性是在人類發(fā)展低溫技術(shù)并不斷在新的溫度范圍里探索物質(zhì)的物理性質(zhì)過程中發(fā)現(xiàn)的。最初是由荷蘭科學(xué)家卡莫林-昂納斯發(fā)現(xiàn)，到20世紀(jì)30年代，實驗發(fā)現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)，人們逐步認(rèn)識了超導(dǎo)電性的基本原理，并發(fā)展了低溫超導(dǎo)技術(shù)和高溫超導(dǎo)技術(shù)。尤其是在液態(tài)氮溫度范圍內(nèi)的高溫超導(dǎo)材料的研究與發(fā)展獲得了成功，是最近幾十年來物理學(xué)及材料科學(xué)領(lǐng)域中的重大突破之一，已經(jīng)成為世界各國科學(xué)界關(guān)注的焦點之一，數(shù)量龐大的科技人員投入到超導(dǎo)的研究與發(fā)展工作中。目前高溫超導(dǎo)材料的研制發(fā)展迅速，部分已實現(xiàn)商品化，在電力輸送、醫(yī)療設(shè)備、電子檢測設(shè)備以及運輸?shù)确矫娅@得應(yīng)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(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

1911年，荷蘭物理學(xué)家卡莫林-昂納斯設(shè)計完成了如下一個試驗：首先，昂納斯逐步冷卻水銀，當(dāng)溫度降低到-40℃左右時，原本為液態(tài)的水銀轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，如同“結(jié)冰”一樣；然后，他把“結(jié)冰”的水銀拉成細(xì)絲，并持續(xù)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(fā)現(xiàn)其電阻變化并不十分顯著。然而，當(dāng)他把溫度降到絕對溫度4.2K（相當(dāng)于-269℃）時，水銀的電阻出現(xiàn)了急劇的變化，突然變成了零。這一試驗結(jié)果一經(jīng)發(fā)布立即引起轟動。后來，人們把這一物體電阻為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象，把出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，電阻等于零的材料叫超導(dǎo)材料。即：所謂超導(dǎo)電性是指當(dāng)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(xiàn)象；所謂超導(dǎo)材料是指具有超導(dǎo)現(xiàn)象這種特性的材料。

在其后的幾十年間，昂納斯及其他科學(xué)家通過不斷的試驗，又先后發(fā)現(xiàn)了28種超導(dǎo)元素和超過8 000種超導(dǎo)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(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，沒有太大的實用價值和經(jīng)濟價值。直到1973年，科學(xué)家才研制出一種在23K(-250℃)溫度出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的鈮-鍺合金。上世紀(jì)80年代，人類對于高溫超導(dǎo)材料的研究取得突破，相繼發(fā)現(xiàn)了在43K(-230℃)、78.5K(-194.5℃)和98K(-175℃)有超導(dǎo)現(xiàn)象的超導(dǎo)材料。1991年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了球狀碳分子碳60在摻入鉀、銫、釹等元素后，也有超導(dǎo)性。據(jù)此，我們可以期待，球狀分子碳60經(jīng)過摻金屬后，有可能實現(xiàn)在室溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象。

2 超導(dǎo)材料的主要特性

2.1 零電阻效應(yīng)

所謂零電阻效應(yīng)是指：在一定溫度以下，物體的電阻趨近于零的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是超導(dǎo)電性的主要外在表現(xiàn)，由荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)。

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(yīng)的溫度為起始轉(zhuǎn)變溫度Ts；當(dāng)電阻減小到Rn/2時，對應(yīng)的溫度為中點溫度TM；當(dāng)電阻減小至零時，對應(yīng)的溫度為零電阻溫度T0。超導(dǎo)體的起始轉(zhuǎn)變溫度也稱為超導(dǎo)臨界溫度TC。

圖1 汞的R-T特性曲線

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

2.2 邁斯納效應(yīng)

人類最早發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)電性就是其電阻為零，即：零電阻效應(yīng)。但是，邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)否定了超導(dǎo)體是理想導(dǎo)體的說法。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納和奧森菲爾德對錫單晶球超導(dǎo)體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放置于磁場中的導(dǎo)體通過冷卻過渡到超導(dǎo)態(tài)時，原來進(jìn)入此導(dǎo)體中的磁感應(yīng)線會一下子被完全排斥到超導(dǎo)體之外，超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度變?yōu)榱悖ㄒ妶D2所示）。超導(dǎo)體的這一性質(zhì)被稱為邁斯納效應(yīng)。這一效應(yīng)表明超導(dǎo)體是完全抗磁體，并指明超導(dǎo)態(tài)是一個熱力學(xué)平衡的狀態(tài)，與怎樣進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無關(guān)。

圖2 超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度分布

邁斯納效應(yīng)表明，物體的超導(dǎo)態(tài)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(dāng)外加磁場強度H小于某一臨界值HC時，物體的超導(dǎo)態(tài)可以保持；當(dāng)H大于HC時，物體的超導(dǎo)態(tài)會被突然破壞而轉(zhuǎn)變成正常態(tài)。HC即稱為臨界磁場強度，其值與材料組成和環(huán)境溫度等有關(guān)。

邁斯納效應(yīng)和零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個相互獨立的基本特性，超導(dǎo)材料性能通常由超導(dǎo)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(huán)境溫度和磁場強度高于臨界值時，物體是一般導(dǎo)體；當(dāng)?shù)陀谂R界數(shù)值時成為超導(dǎo)體。

2.3 同位素效應(yīng)

除了上述兩個基本特性外，科學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn)了同位素效應(yīng)、約瑟夫森效應(yīng)、超導(dǎo)能隙等。

我們知道，質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)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(xué)性質(zhì)，稱為該元素的同位素。試驗表明，超導(dǎo)體的臨界溫度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(yīng)。例如，汞的質(zhì)子數(shù)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(dǎo)隧道效應(yīng)

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

3 超導(dǎo)材料及其應(yīng)用

超導(dǎo)電性是物質(zhì)的一種特殊形態(tài)，超導(dǎo)材料具有廣泛的應(yīng)用前景。

超導(dǎo)材料的零電阻效應(yīng)使其具有無損耗傳輸電能的性質(zhì)，并能實現(xiàn)發(fā)電機、電動機等的小型化而無需擔(dān)心器件過熱；邁斯納效應(yīng)使其具有完全的抗磁性質(zhì)，從而制造超導(dǎo)磁體；超導(dǎo)隧道效應(yīng)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(dǎo)材料

目前，人類已經(jīng)掌握的超導(dǎo)材料主要分為兩類：合金材料和超導(dǎo)化合物。

3.1.1 合金材料

所謂合金材料就是在超導(dǎo)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(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(yīng)用于強磁場下的主要超導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)化合物

所謂超導(dǎo)化合物是指超導(dǎo)材料與其他元素化合形成的化合物，這類化合物不僅超導(dǎo)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(dǎo)性能。如已經(jīng)廣泛使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。

自從50年代初發(fā)現(xiàn)化合物超導(dǎo)材料以來，超導(dǎo)化合物研究發(fā)展迅速，目前已發(fā)現(xiàn)了數(shù)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(shù)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(dǎo)材料，其超導(dǎo)臨界溫度接近100K，可在液氮溫度(-196℃)區(qū)間工作，從而大大降低了超導(dǎo)體制冷的成本。

3.2 超導(dǎo)材料的應(yīng)用

3.2.1 低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用

低溫超導(dǎo)材料是指超導(dǎo)臨界溫度Tc<30K，即在液氦溫度條件下工作的超導(dǎo)材料，包括：金屬、合金和超導(dǎo)化合物。目前，具有實用價值的低溫超導(dǎo)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(lǐng)域，被用于制造高精度電壓表、超導(dǎo)量子干涉儀以及高速計算機等。低溫超導(dǎo)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(dǎo)材料可用于高能物理受控?zé)岷朔磻?yīng)和凝聚態(tài)物理研究的強場磁體、核磁共振中的均勻磁場、制造發(fā)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(jìn)系統(tǒng)、超導(dǎo)儲能等。低溫超導(dǎo)材料由于臨界溫度Tc低，必須在液氦溫度下使用，運轉(zhuǎn)費用昂貴，故其應(yīng)用受到限制。

3.2.2 高溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用

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

由于超導(dǎo)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(wěn)定強磁場，這就使得高溫超導(dǎo)材料用途非常廣泛。目前高溫超導(dǎo)材料主要用于制造高溫超導(dǎo)薄膜、高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)導(dǎo)線和變壓器等。

人類對于超導(dǎo)電性和超導(dǎo)材料的研究在不斷深入，尤其是高溫超導(dǎo)材料研究的進(jìn)展使得超導(dǎo)材料在常溫下應(yīng)用成為可能，超導(dǎo)材料將在很大程度上影響人類生存的許多重要領(lǐng)域。例如，人類解決能源問題的基本技術(shù)之一是受控?zé)岷朔磻?yīng)，而實現(xiàn)受控?zé)岷朔磻?yīng)就必須使用無損耗的超導(dǎo)體。因此，可以預(yù)見，超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展將會在越來越廣泛的范圍里造福人類。

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