超导体

超导体又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25欧，可以认为电阻为零。

超导体
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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。

中文名：超导体

外文名：superconductor

别名：超导材料

特性：零电阻和抗磁性

目录

概述

超导体又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。超导体具有三个基本特性，即完全电导性、完全抗磁性、通量量子化。基于超导体的特殊性质，超导体应用可分为强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用主要为超导发电、输电和储能，弱电应用主要为超导计算机、超导微波器件等，抗磁性应用主要为磁悬浮列车、热核聚变反应堆等。目前超导体已应用于包括导限流器、超导电缆、超导变压器、医院使用的超导核磁共振成像仪以及磁悬浮列车等领域。

超导材料可以时间超高速，低噪音，低功率。可以用在导弹，潜艇，电磁，微波，毫米波。更直接的就是电磁炮和电磁弹射。

低温超导可以成倍率提高计算机速度。可以制造体积，质量，功率更大的电动机作为动力安装在各类载具上。每一次人类科技的高速发展都离不开新材料。

发现历史

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1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃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，卡末林—昂内斯称之为超导态。由于这一发现他获得了1913年诺贝尔奖。

为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失。

为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K。1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质——当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候，物体分子热运动下材料的电阻趋近于0的性质。“超导体”是指能进行超导传输的导电材料。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。人类最初发现物体的超导现象是在1911年。当时荷兰科学家卡·翁纳斯等人发现，某些材料在极低的温度下，其电阻完全消失，呈超导状态。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。

超导原理

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在很低的温度下，物体的核外电子速率降低，达到临界温度，价电子运转速率越来越低。核心习惯于高温下的核外电子快速运转，价和电子运转缓慢，造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子，相邻核心又挪用，所有的核心都向某一方向近邻挪用，于是形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态，核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。

温度降低，电子运转缓慢，超导体内形成了较大的电子空位，电压波畅通。价电子在电压波作用下顺势移动，形成了核外电子公用的电子流——超导电流。核心把外来（公用）的电子流当成自己所需求的电子一部分，用核心的库仑力去顺势输运它，让其在自己身边流过，于是超导电流不仅不受到阻力，而且还获得了一份来自核心的输运力。在原子库仑力的接力输送下，电子畅通无阻，形成了电阻为零的超导现象。

特性

1.零电阻：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感应电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。

2.具有抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。

3.具有临界温度：外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态（或相反）的温度，以Tc表示。

种类

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1、温超导材料

低温超导材料是具有低临界转变温度(Tc<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是 Nb(铌)，Tc 为 9.3K 已制成薄膜材料用于弱电领域。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦 环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。

2、温超导体材料(HTS)

高温超导体材料具有比低温超导体更高的临界磁场和临界电流，是更接近实际应用的超导材料，特别是在低温下的性能比传统超导体高得多。空穴配对是高温超导体的一个基本特征。高温超导材料又分为氧化物超导体（如 YBa 2 Cu 3 O 7-x ），非晶超导材料，复合超导材料（如超导线带材料），重费米子超导体（如 CeCu 2 Si 2 ）和有机超导材料。

应用

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超导体的应用可分为三类：强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用即大电流应用，包括超导发电、输电和储能；弱电应用即电子学应用，包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用主要包括磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

1、强电应用

超导发电机：目前，超导发电机有两种含义。一种含义是将普通发电机的铜绕组换成超导体绕组，以提高电流密度和磁场强度，具有发电容量大、体积小、重量轻、电抗小、效率高的优势。另一种含义是指超导磁流体发电机，磁流体发电机具有效率高、发电容量大等优点，但传统磁体在发电过程中会产生很大的损耗，而超导磁体自身损耗小，可以弥补这一不足。

超导输电：由超导材料制作的超导电线和超导变压器，可以把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，用铜或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

2、弱电应用

超导计算机：高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会发生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度大大提高。此外，科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管，甚至完全用超导体来制作晶体管。

3、抗磁性应用

超导磁悬浮列车：利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，由于磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。

核聚变反应堆“磁封闭体”：核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

应用前景

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有用到电的地方都可以换成超导材料。把整个电网全部换成超导体就不用担心输电会损耗了，很远的地方甚至整个地球都可以组成一个电网。我们可以在海上造很多发电机，把这些电全部用起来，未来可以做超级省电的超级电网，这是可以实现的其实并不遥远。

把电脑芯片换成量子芯片，可以构造量子计算机。量子计算机可以实现的方法有很多，那么我们把芯片简单地换成超导的芯片，是最快捷最有可能实现的一个途径。量子计算机听起来很悬，好像离我们特别遥远，实际量子计算机已经悄悄地在我们生活里出现了。

随着新型超导材料的不断发现与产业化进程加快，预计世界范围内到2020年超导产业产值将达到约1.5万亿元，其中高温超导应用将占60%-70%；超导材料为超导产业链核心、其成本约占超导产品价值的40%-50%。

超导行业发展将对超导材料产生大量需求，超导材料是超导行业的技术制高点。目前，国内超导研究与产业化水平居世界前列，超导技术取得百年来新突破有望为此行业带来巨大的变革，超导产业的万亿元市场爆发在即。

超导体未来可能的应用包括超导发电机，发电机能以接近100%的效率将输入力，如核反应堆的高压蒸汽，转化成电力。物理学家计算表明，单是在欧洲的发电站里安装这些超导发电机，就可以每年减少5300万吨的碳排放。

在未来十年里，超导体将成为一门大生意，全球超导体市场规模预计将在2020年达到380亿美元。截至2011年春，-138℃仍然是超导体所能达到的最高临界温度。我们的终极梦想是创造出能在室温下运作的超导体。

超导技术使过去很难实现的10万高斯的强磁场在现在变得实现起来相当容易。强大的超导磁体可以使观察分子、原子行为的高分辨率电子显微镜轻松制成。采用超导磁体的磁共振、人体扫描技术在医学诊断中的重要作用日益凸显。

总之，凡是需要强大均匀磁场之处，超导磁体都能成功地完成任务。现在一门实用性很强的学科—超导电子学正在迅速发展。它的发展必将给电子工业带来革命性的冲击。

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