超导现象的简介

1.超导体

某些物质在低温条件下呈现电阻等于零和排斥磁体的性质，这种物质叫做超导体。出现零电阻时的温度叫做临界温度。

超导现象是1911年由荷兰物理学家昂尼斯测量汞在低温下的导电情况时发现的。当温度低于4.2K时，汞的电阻突然下降为零，这就是超导现象。从此，揭开了人类认识超导性的第一页，昂尼斯因此获得了1913年诺贝尔物理学奖。

2.超导技术的发展

对超导体的研究是当今科研项目中最热门的课题之一，其内容主要集中在寻找更高临界温度的超导材料和研究超导体的实际应用上。

表1-3列出了20世纪70年代前陆续发现的一些超导材料。

由此可见，寻找更高临界温度的超导材料进展缓慢，六十多年中只提高了19K。但1986年4月，两位瑞士科学家缪勒和柏诺兹取得了新突破，发现钡镧铜氧化物在30K条件下存在超导性，并因此获得1987年诺贝尔物理学奖。同年12月25日，美国华裔物理学家朱经武等也在这种新的超导物质中观察到了40.2K的超导转变。1987年1—2月，美国等国的科学家又相继发现临界温度为54K和98K的超导体，但未公布材料成分。1987年2月24日，中国科学院宣布，物理研究所赵忠贤、陈立泉等13位科学家获得了临界温度达100K以上的超导体，材料成分为钇钡铜氧陶瓷，世界为之震动，这标志着我国超导研究已跃居世界先进行列。

表1-3 20世纪70年代前陆续发现的一些超导材料

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3.超导技术的应用

超导技术的应用大致可分为超导输电、强磁应用和弱磁应用3个方面。

1）超导输电。当用常规导线传输电流时，电能损耗是较为严重的。为了提高输电容量，通常采用的方法是向超高压输电方向发展，但超高压输电时介质损耗增大，效率也较低。由于超导体可以无损耗地传输直流电，而且目前对超导材料的研究已能使交流损耗降到很低的水平，所以，利用超导体制成的电缆，将会节省大量能源，提高输电容量，为电力工业带来一场根本性的革命。

2）强磁应用。在生产与科研中常常需要很强的磁场，常规线圈导线有电阻，损耗很大，为了获得强磁场，就需提供很大的能源来补偿这一损耗；而在电流大到一定程度后，又会烧毁线圈。而利用超导体制成的线圈就能克服这种问题，获得强大的磁场。

1987年美国制造出超导电动机；之后，前苏联制造出了功率为30×10⁴kW的超导发电机；日本制造出超导电磁推动船；我国上海建成世界上第一条磁悬浮列车商业运营线。这些都是超导强磁应用的实例。

3）弱磁应用。超导弱磁应用的基础是约塞夫森效应。1962年，英国物理学家约塞夫森指出“超导结”（两片超导薄膜间夹一层很薄的绝缘层）具有一系列奇特的性质。例如，超导体的电子对能穿过绝缘层，这叫做隧道效应；在绝缘层两边电压为零的情况下，产生直流超导电流；而在绝缘层两边加一定直流电压时，竟会产生特定频率的交流超导电流。从此，一门新的学科——超导电子学诞生了。

电子计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路和大规模集成电路阶段，运算速度和可靠性不断提高。应用约塞夫森效应制成的开关元器件，其开关速度比半导体集成电路快10～20倍，而功耗仅为半导体集成电路的千分之一左右，利用它将能制成运算快、容量大、体积小、功耗低的新一代计算机。

此外，约塞夫森效应在超导通信、传感器、磁力共振诊断装置等方面也将得到广泛应用，从而引起电子工业的深刻变革。