超导体的特性与应用

某些物质在低温下，电阻率突然减小到零，这种现象叫超导现象，处于这种状态的物质叫超导体。

第一次发现这种现象的物理学家是荷兰人昂里斯。他发现当水银温度降到4.2K(－268.8℃)水银电阻突然消失，当温度略大于4．2K时，水银具有通常的导电性。美国麻省理工学院的物理学家们在变化磁场中放上用超导材料做成的环，由于电磁感应，环中出现了感应电流。将环冷却到超导态后撤去磁场，根据电磁感应原理环中不再产生感应电流。可是经过两年半后测定环中电流强度，发现环中的电流强度没什么减小，几乎等于撤去磁场前的电流值。这是因为环中电能的损失是电流通过电阻做功转化为热能，超导态下环的电阻为零，根据焦耳

定律Q＝I2Rt，环产生热量为零，即电能没有损失。

在昂里斯发现了超导现象后，人们相继发现了28种元素在常压下三种元素在高压下具有超导性，五千多种合金和化合物也具有超导性。

超导体有哪些方面的应用呢？首先是利用超导态下物质电阻为零的特性。在电力输送中，由于输电线电阻的存在要消耗电能。为了减少损失，人们投入了大量资金建变电所采用高压送电，即使如此也要在输电线上

损失约30％的电能。若用超导材料做输电线，不仅能把输电线上的电能损失节约下来，而且也节约了建变电所所花费的资金，同时又避免了由于高压送电引起的火灾和触电事故。我们常见．的电力设备是电动机与发电机，它们的内部都有用导线绕成的线圈。考虑电流通过线圈电阻的

热效应，必须选用一定粗的导线绕制线圈，使电机体积庞大。若用超导体绕制线圈，导线不管多细电阻均为零，这样就可以做成体积小，重量轻、噪音低、功率大的发电机。在高能物理领域,需要用高速粒子轰击原子核，使原子核发生变化。这些高能带电粒子是由回旋加速器加速后得到的。回旋加速器需要一个约104高斯的强磁场，目前这个强磁场是由0．9mm粗的导线绕成直径约为lm的大线圈，通过大电流后获得的。由于线圈内电阻存在，当电流通过时产生了大量热，若用水冷却，要消耗约6X104KW能量，冷却水用量为每秒1t。若采用低温液氦超导体来制成这个电磁铁，只需消耗10KW的功率来制造这种液氦，所用的功率是上述消耗功率的六千分之一。这种磁场不仅耗能少且具有体积孝重量轻、稳定性好、均匀度高等优点。

在交通运输方面，人们希望列车的速度能达到飞机的水平。由于列车的车轮与铁轨间存在摩擦，要使列车的速度达到飞机的速度是十分困难的。若能让列车行驶时悬浮在轨道上面，就可以消除车轮与轨道的摩擦。利用超导体技术就可达到此目的。下图是超导磁悬浮式高速列车

示意图。列车底部装有液氮冷却的超导体，使它构成超导电磁铁，它向轨道面产生强磁常在轨道面上安置铝制闭路环。列车行驶时，列车上的超导电磁铁产生强磁场，在铝环内感应出强电流，此电流又使铝环产生强磁场，这两个磁场相互排斥，使列车浮起。列车在直线推进电机带动下高速行驶。列车停止时，环内无感应电流，列车将落到轨道面上，故列车仍装有一定数量的车

轮供启动和停止时使用。这种列车在日本已正式投入营运。

除了我们中学课本所介绍过的超导体零电阻特性之外。

它还有完全抗磁性、隧道效应（即微超导电性）。利用

完全抗磁性可制成磁屏蔽和磁悬浮装置。利用其微超导

电性可制成翻转时间为10-11s的触发器，将此触发器装在电子计算机上，可将计算速度提高10～100倍。日本于1989年制出第一台此种计算机，它的运算速度可达每秒10亿次。自发现超导现象以来，人们致力于提高超导态温度和寻求高温度的超导材料。我国及华裔物理学家在超导领域的成就十分显著。1986年美籍物理学家朱经40．2K(-232．8℃）发现了超导现象；同年12月26日中科院物理所赵忠贤获得温度为48.6k(一224．4℃)的超导材料；12月30日朱经武又在52．5k(一220．5℃）发现了超导现象，1987年又把它提高到了98K(-175℃）同年2月24日赵忠贤获得100K以上的超导材料，3月中国科技大学获得起始转变温度为215K（－580C）的超导材料。可以预见，我国在超导领域研究的成功，必将给其它领域科学、技术以及人们的生产、生活带来不可估量的巨大效益。