超導材料的研究與發(fā)展

摘要：超導是金屬或合金在較低溫度下電阻變?yōu)榱愕男再|(zhì)。超導材料是當代材料科學領域一個十分活躍的重要前沿，其發(fā)展將推動功能材料科學的深入發(fā)展。高溫超導材料經(jīng)過近 20年的研發(fā)，已經(jīng)初步進入了大規(guī)模實際應用和產(chǎn)業(yè)化。隨著超導技術(shù)的發(fā)展，它將會在許多科技領域起到舉足輕重的作用。

關鍵詞：超導、現(xiàn)象、性質(zhì)、應用、發(fā)展。

一、超導現(xiàn)象

翁納斯在1908年首次把最后一個“永久氣體”氦氣液化，并得到了低于4K的低溫。1911年他在測量一個固態(tài)汞樣品的溫度與電阻的關系時發(fā)現(xiàn)，當溫度降低到4.2K時，實驗用的樣品電阻突然減小到儀器無法覺察出的一個小值（當時約為1*10-5）。由實驗測出的汞的電阻率在4.2K附近的變化情況，該曲線表示在低于4.15K的溫度下汞的電阻率為零。

電阻率為零，即完全沒有電阻的狀態(tài)稱為超導態(tài)。除了汞以外，以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有許多金屬及合金在低溫下也能轉(zhuǎn)變成超導態(tài)，但它們的轉(zhuǎn)變溫度（或叫臨界溫度Tc）不同。利用超導體的持續(xù)電流可做一個很有趣的懸浮實驗。將一個小磁棒丟入一個超導鉛碗內(nèi)，可看到小磁棒懸浮在鉛碗內(nèi)而不下落。這是由于電磁感應使鉛碗表面感應出了持續(xù)電流。根據(jù)楞次定律，電流的磁場將對磁棒產(chǎn)生斥力，磁棒越靠近鉛碗，斥力就越大。最后這斥力可以大到足以抵消磁棒所受重力而使它懸浮在空中。

二、超導性質(zhì)

2.1零電阻性

超導材料處于超導態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。

超導體的零電阻現(xiàn)象與常導體零電阻在實質(zhì)上截然不同。常導體的零電阻是指在理想的金屬晶體中，由于電子運動暢通無阻，因此沒有電阻；而超導體零電阻是指當溫度降至某一數(shù)值Tc或以下時，其電阻突然變?yōu)榱恪?/p>

2.2完全抗磁性

1933年邁斯納和奧爾德首次發(fā)現(xiàn)了超導體具有完全抗磁性的特點。把錫單晶球超導體在磁場（H≦Hc）中冷卻，在達到臨界溫度Tc以下時，超導體內(nèi)的磁通線一下子被排斥出去；或者先把超導體冷卻至Tc以下，再通以磁場，這時磁通線也被排斥出動；如圖所示。即在超導狀態(tài)下，超導體內(nèi)磁感應強度B=0.這就是邁斯納效應。

三、超導應用

超導體具有許多特殊的性質(zhì)，當然應用最主要的性質(zhì)是零電阻。人們通過大量實驗，讓電流在超導體制成而成的圓型導體環(huán)中流動，電流可以流動長達一年之久而沒有任何損失?？茖W家通過對超導理論的分析，得到了對超導現(xiàn)象的深入了解?？茖W家發(fā)現(xiàn)在超導體中，部分電子形成了特殊的電子對，從而使導體顯示出超導性。

超導體在各個領域有著非常巨大的用途，從而使各國科學家致力研究超導的應用。電能用超導體輸送可以大大減少不必要的消耗，應用高溫超導體材料加工的電纜載流能力是普通銅絲的1200倍；使用的超導體，可以形成一個強大的磁場，可用于制造粒子加速器，如磁懸浮列車，列車可達到500公里每小時。感溫探頭使用的是超導對溫度非常敏感的性質(zhì)而制造。超導材料最有吸引力的應用是產(chǎn)生，傳輸和能量存儲。

在超導狀態(tài)下的超導材料具有完全抗磁性和零電阻，只消耗很少的電力，就可以得到超過10萬高斯穩(wěn)定強大的磁場。使用傳統(tǒng)的導體磁鐵產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電力、冷卻水，是一個相當大的投資。超導磁體可用于AC超導發(fā)電機，MHD發(fā)電機和超導傳輸線等。

高溫超導材料的使用是非常廣泛，大約分為三大類：高電流應用（強電應用），電子應用系統(tǒng)（弱應用）和抗磁性應用。高電流的應用，前面提到的超導發(fā)電，輸電和能源存儲，電子應用，包括超導天線，超導微波器件，超導計算機，主要用于熱核聚變反應堆和抗磁性磁懸浮列車。

四、 超導未來發(fā)展

超導材料，由于在一定的低溫條件下材料的電阻等于零，具有排除性質(zhì)的磁力線，因此在智能電網(wǎng)，城市電網(wǎng)擴張具有廣闊的應用前景。

據(jù)專業(yè)領域?qū)＜翌A測，超導市場有一個100億美元的潛在規(guī)模，超導材料占30%-40%。超導限流器的市場潛力是巨大的，是目前唯一的超導限流器可以解決短路電流過大，電路保護產(chǎn)品，國內(nèi)主要依賴于美日進口，進口的超導材料費用占產(chǎn)品50%左右的成本。本地化成為超導體的超導材料業(yè)界關注的焦點。

未來十年是高溫超導市場發(fā)展和材料產(chǎn)業(yè)化的十年。據(jù)預測，2010年和2020年，世界超導市場將分別達到300億美元/年和2440億美元/年。

在不久的將來，我國的能源、醫(yī)療衛(wèi)生、電子技術(shù)和科學儀器等方面將會迫切需要超導技術(shù)。超導體的應用將導致一場新技術(shù)革命。

高溫超導及低溫超導的技術(shù)應用 ，將會成為 21 世紀的核心技術(shù)應用 ，必將為造福全世界的人類而做出巨大的貢獻。（作者單位：沈陽師范大學）

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