神奇的超导现象

袁盟翔 向佳颖 张凯翔 石凝一

一、什么是超导

我们都知道欧姆定律：在同一电路中，通过某段导体的电流跟这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。该定律是由德国物理学家乔治·西蒙·欧姆1826年4月发表的《金属导电定律的测定》论文提出的。

随研究电路工作的进展，人们逐渐认识到欧姆定律的重要性，欧姆本人的声誉也大大提高。为了纪念欧姆对电磁学的贡献，物理学界将电阻的单位命名为欧姆，以符号Ω表示。[1]

那么当电阻R为零时会怎样那？

1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

超导是指某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。

二、超导体的三个基本特性

超导体具有三个基本特性：完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。

1、迈纳斯效应：完全抗磁（迈斯纳效应）——超导体最重要特征[2]

迈斯纳效应指明了超导态是一个动态平衡状态，与如何进入超导态的途径无关，超导态的零电阻现象和迈斯纳效应是超导态的两个相互独立，又相互联系的基本属性。单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻和迈斯纳效应。

2、完全导电性

完全电导性又称零电阻效应，指温度降低至某一温度以下，电阻突然消失的现象。完全电导性适用于直流电，超导体在处于交变电流或交变磁场的情况下，会出现交流损耗，且频率越高，损耗越大。[3]交流损耗是超导体实际应用中需要解决的一个重要问题，在宏观上，交流损耗由超导材料内部产生的感应电场与感生电流密度不同引起；在微观上，交流损耗由量子化磁通线粘滞运动引起。交流损耗是表征超导材料性能的一个重要参数，如果交流损耗能够降低，则可以降低超导装置的制冷费用，提高运行的稳定性。[4]

3、通量量子化

通量量子化又称约瑟夫森效应，指当两层超导体之间的绝缘层薄至原子尺寸时，电子对可以穿过绝缘层产生隧道电流的现象，即在超导体（superconductor）—绝缘体（insulator）—超导体（superconductor）结构可以产生超导电流。

约瑟夫森效应是超导弱磁技术的理论基础。

三、超导技术的应用

超导技术是一项具有重要应用价值和巨大开发前景的高技术，它在军事上的潜在应用可分为强磁和弱磁两大类。超导强磁技术主要是利用超导材料能够产生很高的稳态强磁场，据此将可制成超导储能装置、超导电机和电磁推进装置。

1、超导储能装置：这种储能装置将可长时期储存大量的能量，然后根据需要加以释放。大型超导储能系统将可作为陆基自由电子激光器或天基定向能武器的功率源；

2、超导电机：这种电机的体积和质量将比常规电机显著缩小，功率成倍增长，效率大大提高，可为武器装备提供动力；

3、电磁推进装置：用超导强磁材料制造的电磁推进装置，把电能直接转变为动力，将能以很高的速度推进大质量的物体，在军事上用作舰艇的动力装置，可消除传动噪声，提高隐蔽性；也可用作电磁炮的动力装置。

五、超导的研究趋势

1、铜氧超导体

铜氧超导体包括90K的稀土系，110K的铋系，125K的铊系，135K的汞系超导体。它们都含有铜和氧，因此称为铜氧超导体。铜氧超导体具有相似的层状结晶结构，其中铜氧层是超导层。

目前，对铜氧超导体的研究呈现以下趋势：首先，铜氧超导体已经较为成熟，如由铊-钡-钙-铜-氧超导薄膜制成的装置，已应用于移动电话的发射塔，以增加容量，减少断线和外界干扰。[5]其次，铜氧超导体的基础研究处在瓶颈阶段，转变温度一直以来不能突破164K。再次，对铜氧超导体的机理研究有所进展。

2、铁基超导体

铁基超导体之所以受到关注，原因有两点：其一，Fe離子是磁性离子，打破了磁性离子不利于超导的观点，为探索新的超导体提供了一种思路；其二，类似于铜氧超导体，铁基超导体也存在强的电子与自旋相互作用，对探明高温超导机理有参考价值。[6]

3、硼化镁超导体

硼化镁的转变温度几乎高达其他同类型超导体的两倍，而它的实际工作温度为20～30K。要达到这个温度可借由液态氖、液态氢或是封闭循环式冷冻机来完成降温。比起目前工业界以液态氦来冷却铌合金（4K），这些方法既简单又省钱。一旦掺杂了碳或其他杂质，硼化镁在有磁场或有电流通过的情况下，维持超导性的能力不亚于铌合金，甚至更好。

六、结语

超导的世界神奇而浩渺，它的应用领域广泛，许多未知的东西等待我们去探索，超导材料的实用化已取得较大进展，它在大电流技术中的应用前景是最激动人心的。让我们努力学好基础知识，为今后能在科学的海洋里自由翱翔而奋斗！

参考文献：

[1]乔治·西蒙·欧姆——欧姆定律.学科王[引用日期2013-12-04]；

[2]冯庆荣[C]，超导的发现与应用[J]2010-第六届全国高等学校物理实验教学研讨会；

[3]郑冀，梁辉，马卫兵 等.材料物理性能：天津大学出版社，2008；

[4]金翀，李振明，丘明.热测法测量高温超导材料交流损耗的研究综述[J].低温工程，2010（6）：19-24；

[5]Yang Y，Li L，Wu Y.Transmission electron microscopy study of low-temperature post-annealed Tl2Ba2CaCu2O8 thin films[J].Superconductor Science&Technology;，1997，10（3）：156-160.

[6]赵忠贤，于渌.铁基超导体物性基础研究：上海科学技术出版社，2013：1；