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超導體
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超導體又稱為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。在實驗中，若導體電阻的測量值低於10-25歐，可以認為電阻為零。

超導體具有三個基本特性：完全電導性、完全抗磁性、通量量子化。

中文名：超導體

外文名：superconductor

別名：超導材料

特性：零電阻和抗磁性

概述

超導體又稱為超導材料，指在某一溫度下，電阻為零的導體。超導體具有三個基本特性，即完全電導性、完全抗磁性、通量量子化。基於超導體的特殊性質，超導體應用可分為強電應用、弱電應用和抗磁性應用。強電應用主要為超導發電、輸電和儲能，弱電應用主要為超導計算機、超導微波器件等，抗磁性應用主要為磁懸浮列車、熱核聚變反應堆等。目前超導體已應用於包括導限流器、超導電纜、超導變壓器、醫院使用的超導核磁共振成像儀以及磁懸浮列車等領域。

超導材料可以時間超高速，低噪音，低功率。可以用在導彈，潛艇，電磁，微波，毫米波。更直接的就是電磁炮和電磁彈射。

低溫超導可以成倍率提高計算機速度。可以製造體積，質量，功率更大的電動機作為動力安裝在各類載具上。每一次人類科技的高速發展都離不開新材料。

發現歷史

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1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林—昂內斯意外地發現，將汞冷卻到-268.98℃時，汞的電阻突然消失；後來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由於它的特殊導電性能，卡末林—昂內斯稱之為超導態。由於這一發現他獲得了1913年諾貝爾獎。

為了證實（超導體）電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環，放入溫度低於Tc=7.2K的空間，利用電磁感應使環內激發起感應電流。結果發現，環內電流能持續下去，從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在兩年半的時間內的電流一直沒有衰減，這說明圓環內的電能沒有損失。

為了使超導材料有實用性，人們開始了探索高溫超導的歷程，從1911年至1986年，超導溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（K開爾文溫標，起點為絕對零度）。1986年1月發現鋇鑭銅氧化物超導溫度是30K，12月30日，又將這一紀錄刷新為40.2K。1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日發現了98K超導體。高溫超導體取得了巨大突破，使超導技術走向大規模應用。

超導材料的零電阻特性可以用來輸電和製造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體則可最大限度地降低損耗，但由於臨界溫度較高的超導體還未進入實用階段，從而限制了超導輸電的採用。隨着技術的發展，新超導材料的不斷湧現，超導輸電的希望能在不久的將來得以實現。現有的高溫超導體還處於必須用液態氮來冷卻的狀態，但它仍舊被認為是20世紀最偉大的發現之一。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質——當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在於體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為「邁斯納效應」。

超導是指導電材料在溫度接近絕對零度的時候，物體分子熱運動下材料的電阻趨近於0的性質。「超導體」是指能進行超導傳輸的導電材料。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。人類最初發現物體的超導現象是在1911年。當時荷蘭科學家卡·翁納斯等人發現，某些材料在極低的溫度下，其電阻完全消失，呈超導狀態。使超導體電阻為零的溫度，叫超導臨界溫度。

超導原理

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在很低的溫度下，物體的核外電子速率降低，達到臨界溫度，價電子運轉速率越來越低。核心習慣於高溫下的核外電子快速運轉，價和電子運轉緩慢，造成了原子暫時缺失價電子的現象。核心就挪用相鄰核心的價電子，相鄰核心又挪用，所有的核心都向某一方向近鄰挪用，於是形成外層電子公用。這種核外層電子公用的狀態就是物質的超導態，核外層電子處於公用的狀態的物體就是超導體。

溫度降低，電子運轉緩慢，超導體內形成了較大的電子空位，電壓波暢通。價電子在電壓波作用下順勢移動，形成了核外電子公用的電子流——超導電流。核心把外來（公用）的電子流當成自己所需求的電子一部分，用核心的庫侖力去順勢輸運它，讓其在自己身邊流過，於是超導電流不僅不受到阻力，而且還獲得了一份來自核心的輸運力。在原子庫侖力的接力輸送下，電子暢通無阻，形成了電阻為零的超導現象。

特性

1.零電阻：超導材料處於超導態時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環中引發感應電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。

2.具有抗磁性：超導材料處於超導態時，只要外加磁場不超過一定值，磁力線不能透入，超導材料內的磁場恆為零。

3.具有臨界溫度：外磁場為零時超導材料由正常態轉變為超導態（或相反）的溫度，以Tc表示。

種類

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1、溫超導材料

低溫超導材料是具有低臨界轉變溫度(Tc<3OK=在液氦溫度條件下工作)的超導材料，分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導金屬是 Nb(鈮)，Tc 為 9.3K 已製成薄膜材料用於弱電領域。低溫超導材料一般都需在昂貴的液氦 環境下工作,由於液氦製冷的方法昂貴且不方便，故低溫超導體的應用長期得不到大規模的發展。

2、溫超導體材料(HTS)

高溫超導體材料具有比低溫超導體更高的臨界磁場和臨界電流，是更接近實際應用的超導材料，特別是在低溫下的性能比傳統超導體高得多。空穴配對是高溫超導體的一個基本特徵。高溫超導材料又分為氧化物超導體（如 YBa 2 Cu 3 O 7-x ），非晶超導材料，複合超導材料（如超導線帶材料），重費米子超導體（如 CeCu 2 Si 2 ）和有機超導材料。

應用

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超導體的應用可分為三類：強電應用、弱電應用和抗磁性應用。強電應用即大電流應用，包括超導發電、輸電和儲能；弱電應用即電子學應用，包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性應用主要包括磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。

1、強電應用

超導發電機：目前，超導發電機有兩種含義。一種含義是將普通發電機的銅繞組換成超導體繞組，以提高電流密度和磁場強度，具有發電容量大、體積小、重量輕、電抗小、效率高的優勢。另一種含義是指超導磁流體發電機，磁流體發電機具有效率高、發電容量大等優點，但傳統磁體在發電過程中會產生很大的損耗，而超導磁體自身損耗小，可以彌補這一不足。

超導輸電：由超導材料製作的超導電線和超導變壓器，可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統計，用銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電，節省的電能相當於新建數十個大型發電廠。

2、弱電應用

超導計算機：高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模集成電路面臨的難題。超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來製作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學家正研究用半導體和超導體來製造晶體管，甚至完全用超導體來製作晶體管。

3、抗磁性應用

超導磁懸浮列車：利用超導材料的抗磁性，將超導材料放在一塊永久磁體的上方，由於磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應可以製作高速超導磁懸浮列車。

核聚變反應堆「磁封閉體」：核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億攝氏度，沒有任何常規材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為「磁封閉體」，將熱核反應堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然後慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。

應用前景

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有用到電的地方都可以換成超導材料。把整個電網全部換成超導體就不用擔心輸電會損耗了，很遠的地方甚至整個地球都可以組成一個電網。我們可以在海上造很多發電機，把這些電全部用起來，未來可以做超級省電的超級電網，這是可以實現的其實並不遙遠。

把電腦芯片換成量子芯片，可以構造量子計算機。量子計算機可以實現的方法有很多，那麼我們把芯片簡單地換成超導的芯片，是最快捷最有可能實現的一個途徑。量子計算機聽起來很懸，好像離我們特別遙遠，實際量子計算機已經悄悄地在我們生活里出現了。

隨着新型超導材料的不斷發現與產業化進程加快，預計世界範圍內到2020年超導產業產值將達到約1.5萬億元，其中高溫超導應用將占60%-70%；超導材料為超導產業鏈核心、其成本約占超導產品價值的40%-50%。

超導行業發展將對超導材料產生大量需求，超導材料是超導行業的技術制高點。目前，國內超導研究與產業化水平居世界前列，超導技術取得百年來新突破有望為此行業帶來巨大的變革，超導產業的萬億元市場爆發在即。

超導體未來可能的應用包括超導發電機，發電機能以接近100%的效率將輸入力，如核反應堆的高壓蒸汽，轉化成電力。物理學家計算表明，單是在歐洲的發電站里安裝這些超導發電機，就可以每年減少5300萬噸的碳排放。

在未來十年裡，超導體將成為一門大生意，全球超導體市場規模預計將在2020年達到380億美元。截至2011年春，-138℃仍然是超導體所能達到的最高臨界溫度。我們的終極夢想是創造出能在室溫下運作的超導體。

超導技術使過去很難實現的10萬高斯的強磁場在現在變得實現起來相當容易。強大的超導磁體可以使觀察分子、原子行為的高分辨率電子顯微鏡輕鬆製成。採用超導磁體的磁共振、人體掃描技術在醫學診斷中的重要作用日益凸顯。

總之，凡是需要強大均勻磁場之處，超導磁體都能成功地完成任務。現在一門實用性很強的學科—超導電子學正在迅速發展。它的發展必將給電子工業帶來革命性的衝擊。

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