浅谈超导及其应用

许芮祥

摘 要：本文从导体电阻出发，引入超导概念，具体介绍了超导体与理想导体的区别，并就当前超导材料的应用做了相关阐述，之后分析了超导目前的应用难点。

关键词：电阻；超导体；理想导体；磁悬浮

中图分类号：TM249.7 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0209-02

1 前言

每一种材料都有电阻，只不过每种材料的电阻值不同罢了。对于金属来说，其电阻值较小，所以是良导体，因此他们被制成了导电的设备，而对于陶瓷这类电阻值较大的绝缘体也有着它们的应用。电阻也就是导体对电流的阻碍作用的大小，它在物理学中有着重要的含义。对于一个材料，如果通上电之后，电流在其内部流动时就如同水流在河流中流淌一样。若河流中有石头时，水流就会受到阻碍而减速，同样材料内部的原子也会阻碍电子流动，电流中的部分载流子如电子就会与晶格中的原子发生碰撞且反弹方向各不相同，导致这些载流子向各个方向反弹，偏离了电流方向，使得电流所在的方向上电子流动速度变慢，从而导致电流强度减弱，出现电压降，也就有了电阻。在载流子和晶格中的原子发生碰撞时根据能量守恒就可以知道载流子所失去的能量转移到了原子身上，这种能量消耗最终会通过对外的热辐射或其他能量的方式表现出来，所以一般设备在导电的同时会变热。尤其是在高压电缆上会有严重的热损耗，所以如果能够用没有电阻的导体制成电缆就可以完美地解决这些问题。这也就是我们经常可以听到的超导体，超导体作为国内目前比较热门的研究方向，不仅在前沿科学中有着巨大的研究价值，在当前的应用科学中也是有着极大的潜力。虽然超导体还没有如我们所设想的那样，广泛地应用于日常生活中，但是由于目前人们对超导体有极大的热情与需求，在不久的将来，人们一定可以用上超导电缆，让超导材料真正的进入寻常生活中去。

2 超导体的发现及与理想导体的区别

超导体其实就是一种在某一温度下电阻变为零的导体。1911年，荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人在制备出液氦之后，成功将温度降至4K及以下之后，测量了汞的电性能，发现汞在极低的温度下，其电阻消失，呈超导状态。这是人类第一次发现超导体。这也就说明了超导体没有电阻，具有完全导电性。但是超导体还具有完全抗磁性。对于普通的导体，磁力线会穿过去，但是对于超导体，由于其内部无磁通，所以磁力线则会绕开，与之不接触。因为当超导体处在一个磁场中时，由于超导体内部磁场总是零，所以我们可以将超导体看作为成一个完全抗磁的磁介质。假定外部磁场强度为H，超导体内部的磁感应强度为B，则这两个磁场的关系则为B=μ0 （H+M），其中μ0为真空磁导率，M=χMH，磁化率χM=-1，最后磁感应强度为零，所以在超导体内部两磁场互相抵消了，这样就可以将超导体看成一个具有完全抗磁性的无电阻导体。

对于理想导体，它的电阻也为零。有欧姆定律R=，根据均匀电场场强公式E=、电流密度J=、电阻R=ρ，可以得到原公式变形，为ρ=，消去相同的可得ρ=，即J=，又因为电导率σ是电阻率的倒数，所以J=σE。当电导率σ为无限大时，那么电场场强也就为零。由楞次定律电场场强E=-（Nφ），因为电场场强为零，所以Nφ是一个与时间无关的函数，则Nφ为常数。又因为线圈圈数N为一个常数，则磁通量φ也就为一个常数，所以当温度发生变化的时候，理想导体内部磁感应强度并没有随时间发生变化。

在一个理想试验中，一共有两组，每一组都有一个超导体和一个理想导体，外界温度为T、临界温度为TC。在第一组（图1左）中，初始时，外界温度T低于临界温度TC，两导体内部磁感应强度均为零，再将两导体同时放入磁场中，两导体内部磁感应强度没有发生变化还是零；在第二组（图1右）中，先将两导体放在磁场中，并使得两导体所处的外界温度T高于临界温度TC，此时两导体内磁感应强度都不是零；再将其周围温度降到临界温度TC以下，此时会发现超导体内部磁感应强度为零，而理想导体内部磁感应强度却不是零。所以可以得出结论：超导体没有电阻，完全是抗磁性的，在温度低于临界温度TC时，内部磁感应强度为零；理想导体电阻也为零，但当温度变化时，其内部磁感应强度不随时间变化。

对于某些物质达到超导是因为当温度降到一定程度时，在晶格振动的影响下，费米面附近的电子，原本因为电子间的库仑力作用相互排斥，但只要它们满足相反的动量和自旋，就能两两地结合成电子对，也就是说，形成库珀对然后成为超导电流，从而电阻消失。

3 超导的应用

超导的应用非常多，由于篇幅原因，只能列举其中的一部分应用。

在磁悬浮列车的超导中，目前世界上开发的超导体磁悬浮列车的速度可达每小时500公里，比一般的螺旋桨飞机的速度（350公里每小时）还要快。

在高温超导传输电缆中，高温超导交流电缆基本可以实现零电阻运行，由于交流损耗和漏热引起的损耗，总损耗约为传统电缆的一半；高温超导直流电缆的总损耗可以是传统电缆的1/10。

在高温超导风力发电机方面。由于铜导线的电流密度限制，传统风扇设计的输出功率的增加直接增加了风扇的體积和质量，除了其他部件的体积和质量之外，风扇的电动功率还受到限制。如果将高温超导材料应用于直接驱动风力发电机，则发动机的体积大约可以减小到传统电机体积的1/5到1/3，从而增加机功率。

4 超导体应用面临的难题

尽管超导体性能良好，但是其应用方面还是存在着不少的难题，并且主要分为以下三个方面。第一是温度，如最先发现的超导金属汞，它的临界温度仅为4.2K，这样低的温度只能通过液氦维持。但是作为一种稀有气体，氦气只能从天然气或铀矿提取。材料很少，维持低温环境的液氦消耗远远大于超导材料节省的功耗。所以要想克服这个条件就得寻找转变温度高的超导体。即使找到了这样的超导体，也不一定能实现实际应用，因为其中的载流子浓度不一定很高能够达到日常导线的效果；或者其需要其他的条件，比如说高压环境下，但这也是很难去满足的。第二是电流密度，超导体虽然电阻为零，但其能够承载的电流并非可以无限大，电流密度存在一定上限。一旦超过这个上限，超导体将立即变为电阻，恢复到正常状态，然后迅速升温，结果诸如液氦这样的冷却剂就会迅速沸腾，设备立即失效，导致系统失效，并且存在极大的安全风险。第三是磁场强度，超导体虽然具有完全抗磁性，但是其所能够承受的磁场强度也同样存在着一定的上限，超过这个上限，同样会恢复成正常态。所以要让超导体正常地工作就必须同时满足其自身状态均处在三个阈值之内，即超导体的临界温度要高（TC）、临界电流密度要大（JC）、临界磁场要强（HC）。

就比如之前我们所要解决的普通电缆线耗能的问题。我们知道普通电缆大体上体和包裹导体的绝缘材料组成的，但是对于超导电缆线，不仅仅包括以上两个方面，因为它要确保以上三个约束条件，其中的临界磁场和临界温度尤为重要。因此对于超导电缆来说，它往往会有好几层的包裹层，最里面的一层是超导体，在这个超导体外层还要有保持它能够低于超导临界温度的液氮或者液氦这样的冷却剂，最后在其外面可能还要包裹上屏蔽磁场的绝热绝缘材料。这层层的包装也极大的增加了超导电缆制作的难度，更不要说将其做细做小放入日常的电机或者电子产品中，还是有着很长的一段研发路程。

5 总结与展望

本文简略介绍了超导体的定义以及与理想导体的区别，并就目前的应用作了简单描述，最后叙述了超导体大规模应用可能存在的难题。同时中国在超导这一领域的贡献也是巨大的，在不久的将来，国内超导材料的研究与应用一定会加速发展，解决国家需求，发挥低碳材料的作用，在国家低碳竞争力中占据战略制高点。

参考文献

[1]岳小萍.理想导体与超导抗磁性[J].新乡学院学报（自然科学版），2011，28（04）：314-316.

[2]王家素，王素玉.高温超导磁悬浮列车研究综述[J].电气工程学报，2015，10（11）：1-10.