超导及超导材料的应用_邓麦芹

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1、科技信息高校理科研究超导及超导材料的应用西安文理学院物理系邓麦芹［摘要］超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。自从超导发现至今，超导的研究和超导材料的研制已迅速发展，超导材料的物质结构及性质已逐渐研究清楚，超导的临界温度已从开始的几开升至一百多开，超导材料得到广泛应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来的巨大变革。［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，的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。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2.2迈斯纳效应发现至今，超导的研究和超

2、导材料的研制已迅速发展，超导的临界温度1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却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、运输等方面获得应全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。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

3、参与超导的研究与发展工作，人们将会很快感受到它给社会带来的巨大变革。1.超导材料的研究进展H1911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(a)正常态(T>TC)(b)超导态(T>TC)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

4、来又发现了28迈斯纳效应示意图种超导元素和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，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23K（-250℃）温度出现超导现象的

5、铌-锗合金。此后这一纪录又保持临界磁场HC两个参数决定，高于临界值时是一般导体，低于此数值时了10多年。在无数人为寻找在高温下有超导现象的材料时，幸运的贝成为超导体。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2.3同位素效应钡氧陶瓷材料在43K（-230℃）的较高温度下出现了超导现象，前联邦超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这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称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18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

6、经开，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146开。M与TC有近似关系：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℃）12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TCM＝常数2.4约瑟夫森效应日本等科学家在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。有些科学家预测，球状分子碳60经过掺金属后，当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能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通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应

7、，相应的装材料一样，在世界引起一场工业革命和科技革命。置称为约瑟夫森器件。如图所示。2.超导材料的主要特性V绝缘体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（Supercon-ductor）。1911年荷兰著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IIR－T特性曲线，如图所示。超导体约瑟夫森效应示意图当通以低于临界电流值I0时，在绝缘薄层上的电压为零，但当电流I>I0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，

8、呈现有阻态，这种器件具有