超导体

超导体是指在一定的温度下它的电阻值为0.由于超导体得天独厚的特性，使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下，极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体，从1911年到1986年，75年间从水银的4．2K提高到铌三锗的23．22K，才提高了19K。

分类与应用

分类

超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。

①超导元素：在常压下有28种元素具超导电性，其中铌（Nb）的Tc最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb，Tc=7.201K)，已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。

② 合金材料： 超导元素加入某些其他元素作合金成分， 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr)，其Tc为10.8K，Hc为8.7特。继后发展了铌钛合金，虽然Tc稍低了些，但Hc高得多，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(4.2K)。目前铌钛合金是用于7～8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金，性能进一步提高，Nb-60Ti-4Ta的性能是，Tc=9.9K，Hc=12.4特（4.2K）；Nb-70Ti-5Ta的性能是，Tc=9.8K，Hc=12.8特。

③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn，其Tc=18.1K，Hc=24.5特。其他重要的超导化合物还有V3Ga，Tc=16.8K，Hc=24特；Nb3Al，Tc=18.8K，Hc=30特。

④超导陶瓷：20世纪80年代初，米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性，他们的小组对一些材料进行了试验，于1986年在镧－钡－铜－氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年，中国、美国、日本等国科学家在钡－钇－铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

应用

超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10-20倍，功耗只有四分之一。

超导现象

超导现象出现的基本标志是零电阻效应和迈斯纳效应，但还伴随着多种特征的出现。物体在低温出现超导现象仍然有一些问题没有弄清，但人们已经知道了很多。首先，有一些低温超导现象是由于电声作用，可以用BCS理论做出解释，而象铜基超导体、重费米子超导体中的超导原因，目前仍在研究之中。由于超导体对环境的要求非常高，目前它还只能在科学家们的实验室中进行，并不能够大规模的应用到我们的日常生活中，但科学的发展是永无止境的，科学家们还正朝着提高超导体的温度以达到将超导应用于生活中，为人类造福。相信随着科学的发展，超导一定会广泛地应用与我们的生活。到那时候，例如超导电缆、超导电机、超导储能器以及粒子加速器和受控热核反应的超大型强磁体；还有时速高达500多公里的超导磁悬俘列车，无摩擦超导陀螺仪，超导轴承等等。1962年，英国剑桥大学研究生布里安·戴维·约瑟夫森（1940～ 年）的一项重大发现，使超导应用更加令人眼花缭乱。这项发现叫做“约瑟夫森效应”，它使超导体可像半导体那样做成二极管、三级管和一种奇妙的探测器件——超导量子干涉仪，用于弱磁场测量、超导计算机等微电子领域。可以设想，这些应用一旦实现，世界将改变模样：超导储能器收集太阳能，并将它储藏起来，通过强大的电网完好无损地把电流送往用户

当液态氦从4.2K降至2.2K附近时，氦原子的运动速度减小到氦原子在宇宙背景温度时的运动速率以下。由于这时的氦原子动能很小，占有的空间也很小，所以它能从非常小的空隙漂移过去。由于这时的氦原子动能很小，不会破坏氦原子与相接触物体间的分子间力，所以毛细现象更为明显，另外，当氦原子的温度低于宇宙背景温度时，氦原子周围易子密度增大，氦原子在小范围内产生排斥力，就象前面讲到的万有引力会出现排斥一样，并且出现爬膜现象。液氦进入超流现象时，缓慢地旋转容器，超流部分不会随之转动，而是相对于恒星保持静止，准确地说是相对宇宙保持静止，同时产生大量涡旋线。涡旋线相互排斥，超流体绕着涡旋线的核心转动。就像永久磁铁产生多气旋磁场一样，由于进入超流状态后，氦原子只能在固定的很小范围内活动，超流体的原子核与电子之间，电子与电子之间没有接触，没有直接的能量交换，而是通过易子气与周围物体接触，也就是说物体是悬浮在易子气中。周围物体旋转时，由于分子间的微弱作用力，不能拉动整个液态氦旋转，只能带动电子绕原子核转动。许多个旋转合并在一起，就形成了原子旋涡，产生涡旋线。

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