浅谈超导及超导材料的应用

　　摘要：超导是超导电性的简称,是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今,超导的研究和超导材料的研制已迅速发展,超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开。但人们相信,随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展,它将会在许多高科技领域获得重要应用。

　　关键词:超导,超导材料,临界温度

　　超导是超导电性的简称,是指某些物体当温度下降至一定温度时,电阻突然趋近于零的现象。具有这种特性的材料称为超导材料.自超导发现至今,超导的研究和超导材料的研制已迅速发展,超导的临界温度已从开始的几开升至几十开甚至一百多开;而且超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚。以液态氮温度下低温超导材料的研究与发展获得了成功,且已实现商品化,在医疗、电子输送、运输等方面获得应用;高温超导材料的发现,是最近几十年来物理学及材料科学领域中的重大突破之一,已引起全世界广泛关注,各国众多科学工作者参与超导的研究与发展工作,人们将很快会感受到它给社会带来的巨大变革。

　　1 超导材料的研究进展

　　1911年一个叫昂尼斯的荷兰物理学家做了一个试验,他把水银冷却到-40℃时,亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体,然后,他把水银拉成细丝,并继续降低温度,同时测量不同温度下固体水银的电阻。当他把温度降到绝对温度4K(相当于-269℃)时,一个奇怪的现象出现了,即水银的电阻突然变成了零。这个奇怪现象不仅昂尼斯自己很感意外,而且轰动了物理学界,后来科学家把这个现象叫超导现象,把电阻等于零的材料叫超导材料。昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物。但出现超导现象时的温度大都接近绝对零度,也就是-273℃的极低温,没有太大的实用可能性和经济价值。为了寻找可在比较高的温度下有超导现象的材料,世界上无数科学家为之奋斗了近60年,直到1973年,英美一些科学家才找到一种在23K(-25O℃)温度出现超导现象的铌-锗合金。此后这一纪录又保持了10多年。参考。在无数人为寻找在高温下有超导现象的材料时,幸运的贝特诺茨和缪勒在瑞士国际商用公司实验室工作时,终于发现一种镧铜钡氧陶瓷材料在43K(-230℃)的较高温度下出现了超导现象,前联邦德国人贝特诺茨和美国人缪勒立即成了在科学界引起轰动的新闻人物。为此,他们获得1987年的诺贝尔物理学奖。此后,美籍华人学者朱经武、中国物理学家赵忠贤领导的研究小组相继发现了在98K(-175℃)和78.5K(-194.5℃)有超导现象的超导材料。更令人振奋的是,美国和日本等科学家在1991年又发现了球状碳分子碳60在掺入钾、铯、钕等元素后,也有超导性。参考。有些科学家预测,球状分子碳60经过掺金属后,将来有可能在室温下出现超导现象,那时,超导材料就有可能像半导体材料一样,在世界引起一场工业革命和科技革命。

　　2超导材料的主要特性

　　2.1 零电阻效应

　　材料在一定温度以下,其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料,称为超导体(Superconductor)。1911年荷兰着名低温物理学家昂纳斯(H.K.Onnes)发现在T=4.1k下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R-T特性曲线,如图所示。

　　图中的为电阻开始急剧减小时的电阻值,对应的温度称为起始转变温度TS;当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度TM;当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的.转变温度还与外部环境条件有关,定义在外部环境条件(电流,磁场和应力等)维持在足够低的数值时,测得的超导转变温度称为超导临界温度。

　　2.2 迈斯纳效应

　　1933年,迈斯纳(W.Meissner)发现:当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时,原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外(见下图),超导体内磁感应强度变为零,这表明超导体是完全抗磁体,这个现象称为迈斯纳效应。

　　迈斯纳效应示意图

　　实验表明,超导态可以被外磁场所破坏,在低于TC的任一温度T下,当外加磁场强度H小于某一临界值HC时,超导态可以保持;当H大于HC时,超导态会被突然破坏而转变成正常态。临界磁场强度HC,其值与材料组成和环境温度等有关。 超导材料性能由临界温度TC和临界磁场HC两个参数决定,高于临界值时是一般导体,低于此数值时成为超导体。