淺談超導(dǎo)及其應(yīng)用

許芮祥

摘 要：本文從導(dǎo)體電阻出發(fā)，引入超導(dǎo)概念，具體介紹了超導(dǎo)體與理想導(dǎo)體的區(qū)別，并就當(dāng)前超導(dǎo)材料的應(yīng)用做了相關(guān)闡述，之后分析了超導(dǎo)目前的應(yīng)用難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電阻；超導(dǎo)體；理想導(dǎo)體；磁懸浮

中圖分類(lèi)號(hào)：TM249.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0209-02

1 前言

每一種材料都有電阻，只不過(guò)每種材料的電阻值不同罷了。對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，其電阻值較小，所以是良導(dǎo)體，因此他們被制成了導(dǎo)電的設(shè)備，而對(duì)于陶瓷這類(lèi)電阻值較大的絕緣體也有著它們的應(yīng)用。電阻也就是導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用的大小，它在物理學(xué)中有著重要的含義。對(duì)于一個(gè)材料，如果通上電之后，電流在其內(nèi)部流動(dòng)時(shí)就如同水流在河流中流淌一樣。若河流中有石頭時(shí)，水流就會(huì)受到阻礙而減速，同樣材料內(nèi)部的原子也會(huì)阻礙電子流動(dòng)，電流中的部分載流子如電子就會(huì)與晶格中的原子發(fā)生碰撞且反彈方向各不相同，導(dǎo)致這些載流子向各個(gè)方向反彈，偏離了電流方向，使得電流所在的方向上電子流動(dòng)速度變慢，從而導(dǎo)致電流強(qiáng)度減弱，出現(xiàn)電壓降，也就有了電阻。在載流子和晶格中的原子發(fā)生碰撞時(shí)根據(jù)能量守恒就可以知道載流子所失去的能量轉(zhuǎn)移到了原子身上，這種能量消耗最終會(huì)通過(guò)對(duì)外的熱輻射或其他能量的方式表現(xiàn)出來(lái)，所以一般設(shè)備在導(dǎo)電的同時(shí)會(huì)變熱。尤其是在高壓電纜上會(huì)有嚴(yán)重的熱損耗，所以如果能夠用沒(méi)有電阻的導(dǎo)體制成電纜就可以完美地解決這些問(wèn)題。這也就是我們經(jīng)?？梢月?tīng)到的超導(dǎo)體，超導(dǎo)體作為國(guó)內(nèi)目前比較熱門(mén)的研究方向，不僅在前沿科學(xué)中有著巨大的研究?jī)r(jià)值，在當(dāng)前的應(yīng)用科學(xué)中也是有著極大的潛力。雖然超導(dǎo)體還沒(méi)有如我們所設(shè)想的那樣，廣泛地應(yīng)用于日常生活中，但是由于目前人們對(duì)超導(dǎo)體有極大的熱情與需求，在不久的將來(lái)，人們一定可以用上超導(dǎo)電纜，讓超導(dǎo)材料真正的進(jìn)入尋常生活中去。

2 超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)及與理想導(dǎo)體的區(qū)別

超導(dǎo)體其實(shí)就是一種在某一溫度下電阻變?yōu)榱愕膶?dǎo)體。1911年，荷蘭科學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人在制備出液氦之后，成功將溫度降至4K及以下之后，測(cè)量了汞的電性能，發(fā)現(xiàn)汞在極低的溫度下，其電阻消失，呈超導(dǎo)狀態(tài)。這是人類(lèi)第一次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體。這也就說(shuō)明了超導(dǎo)體沒(méi)有電阻，具有完全導(dǎo)電性。但是超導(dǎo)體還具有完全抗磁性。對(duì)于普通的導(dǎo)體，磁力線會(huì)穿過(guò)去，但是對(duì)于超導(dǎo)體，由于其內(nèi)部無(wú)磁通，所以磁力線則會(huì)繞開(kāi)，與之不接觸。因?yàn)楫?dāng)超導(dǎo)體處在一個(gè)磁場(chǎng)中時(shí)，由于超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)總是零，所以我們可以將超導(dǎo)體看作為成一個(gè)完全抗磁的磁介質(zhì)。假定外部磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則這兩個(gè)磁場(chǎng)的關(guān)系則為B=μ0 （H+M），其中μ0為真空磁導(dǎo)率，M=χMH，磁化率χM=-1，最后磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，所以在超導(dǎo)體內(nèi)部?jī)纱艌?chǎng)互相抵消了，這樣就可以將超導(dǎo)體看成一個(gè)具有完全抗磁性的無(wú)電阻導(dǎo)體。

對(duì)于理想導(dǎo)體，它的電阻也為零。有歐姆定律R=，根據(jù)均勻電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)公式E=、電流密度J=、電阻R=ρ，可以得到原公式變形，為ρ=，消去相同的可得ρ=，即J=，又因?yàn)殡妼?dǎo)率σ是電阻率的倒數(shù)，所以J=σE。當(dāng)電導(dǎo)率σ為無(wú)限大時(shí)，那么電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)也就為零。由楞次定律電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)E=-（Nφ），因?yàn)殡妶?chǎng)場(chǎng)強(qiáng)為零，所以Nφ是一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的函數(shù)，則Nφ為常數(shù)。又因?yàn)榫€圈圈數(shù)N為一個(gè)常數(shù)，則磁通量φ也就為一個(gè)常數(shù)，所以當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，理想導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度并沒(méi)有隨時(shí)間發(fā)生變化。

在一個(gè)理想試驗(yàn)中，一共有兩組，每一組都有一個(gè)超導(dǎo)體和一個(gè)理想導(dǎo)體，外界溫度為T(mén)、臨界溫度為T(mén)C。在第一組（圖1左）中，初始時(shí)，外界溫度T低于臨界溫度TC，兩導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度均為零，再將兩導(dǎo)體同時(shí)放入磁場(chǎng)中，兩導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度沒(méi)有發(fā)生變化還是零；在第二組（圖1右）中，先將兩導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，并使得兩導(dǎo)體所處的外界溫度T高于臨界溫度TC，此時(shí)兩導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度都不是零；再將其周?chē)鷾囟冉档脚R界溫度TC以下，此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，而理想導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度卻不是零。所以可以得出結(jié)論：超導(dǎo)體沒(méi)有電阻，完全是抗磁性的，在溫度低于臨界溫度TC時(shí)，內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零；理想導(dǎo)體電阻也為零，但當(dāng)溫度變化時(shí)，其內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度不隨時(shí)間變化。

對(duì)于某些物質(zhì)達(dá)到超導(dǎo)是因?yàn)楫?dāng)溫度降到一定程度時(shí)，在晶格振動(dòng)的影響下，費(fèi)米面附近的電子，原本因?yàn)殡娮娱g的庫(kù)侖力作用相互排斥，但只要它們滿足相反的動(dòng)量和自旋，就能兩兩地結(jié)合成電子對(duì)，也就是說(shuō)，形成庫(kù)珀對(duì)然后成為超導(dǎo)電流，從而電阻消失。

3 超導(dǎo)的應(yīng)用

超導(dǎo)的應(yīng)用非常多，由于篇幅原因，只能列舉其中的一部分應(yīng)用。

在磁懸浮列車(chē)的超導(dǎo)中，目前世界上開(kāi)發(fā)的超導(dǎo)體磁懸浮列車(chē)的速度可達(dá)每小時(shí)500公里，比一般的螺旋槳飛機(jī)的速度（350公里每小時(shí)）還要快。

在高溫超導(dǎo)傳輸電纜中，高溫超導(dǎo)交流電纜基本可以實(shí)現(xiàn)零電阻運(yùn)行，由于交流損耗和漏熱引起的損耗，總損耗約為傳統(tǒng)電纜的一半；高溫超導(dǎo)直流電纜的總損耗可以是傳統(tǒng)電纜的1/10。

在高溫超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)方面。由于銅導(dǎo)線的電流密度限制，傳統(tǒng)風(fēng)扇設(shè)計(jì)的輸出功率的增加直接增加了風(fēng)扇的體積和質(zhì)量，除了其他部件的體積和質(zhì)量之外，風(fēng)扇的電動(dòng)功率還受到限制。如果將高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用于直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，則發(fā)動(dòng)機(jī)的體積大約可以減小到傳統(tǒng)電機(jī)體積的1/5到1/3，從而增加機(jī)功率。

4 超導(dǎo)體應(yīng)用面臨的難題

盡管超導(dǎo)體性能良好，但是其應(yīng)用方面還是存在著不少的難題，并且主要分為以下三個(gè)方面。第一是溫度，如最先發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)金屬汞，它的臨界溫度僅為4.2K，這樣低的溫度只能通過(guò)液氦維持。但是作為一種稀有氣體，氦氣只能從天然氣或鈾礦提取。材料很少，維持低溫環(huán)境的液氦消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超導(dǎo)材料節(jié)省的功耗。所以要想克服這個(gè)條件就得尋找轉(zhuǎn)變溫度高的超導(dǎo)體。即使找到了這樣的超導(dǎo)體，也不一定能實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)槠渲械妮d流子濃度不一定很高能夠達(dá)到日常導(dǎo)線的效果；或者其需要其他的條件，比如說(shuō)高壓環(huán)境下，但這也是很難去滿足的。第二是電流密度，超導(dǎo)體雖然電阻為零，但其能夠承載的電流并非可以無(wú)限大，電流密度存在一定上限。一旦超過(guò)這個(gè)上限，超導(dǎo)體將立即變?yōu)殡娮瑁謴?fù)到正常狀態(tài)，然后迅速升溫，結(jié)果諸如液氦這樣的冷卻劑就會(huì)迅速沸騰，設(shè)備立即失效，導(dǎo)致系統(tǒng)失效，并且存在極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。第三是磁場(chǎng)強(qiáng)度，超導(dǎo)體雖然具有完全抗磁性，但是其所能夠承受的磁場(chǎng)強(qiáng)度也同樣存在著一定的上限，超過(guò)這個(gè)上限，同樣會(huì)恢復(fù)成正常態(tài)。所以要讓超導(dǎo)體正常地工作就必須同時(shí)滿足其自身狀態(tài)均處在三個(gè)閾值之內(nèi)，即超導(dǎo)體的臨界溫度要高（TC）、臨界電流密度要大（JC）、臨界磁場(chǎng)要強(qiáng)（HC）。

就比如之前我們所要解決的普通電纜線耗能的問(wèn)題。我們知道普通電纜大體上體和包裹導(dǎo)體的絕緣材料組成的，但是對(duì)于超導(dǎo)電纜線，不僅僅包括以上兩個(gè)方面，因?yàn)樗_保以上三個(gè)約束條件，其中的臨界磁場(chǎng)和臨界溫度尤為重要。因此對(duì)于超導(dǎo)電纜來(lái)說(shuō)，它往往會(huì)有好幾層的包裹層，最里面的一層是超導(dǎo)體，在這個(gè)超導(dǎo)體外層還要有保持它能夠低于超導(dǎo)臨界溫度的液氮或者液氦這樣的冷卻劑，最后在其外面可能還要包裹上屏蔽磁場(chǎng)的絕熱絕緣材料。這層層的包裝也極大的增加了超導(dǎo)電纜制作的難度，更不要說(shuō)將其做細(xì)做小放入日常的電機(jī)或者電子產(chǎn)品中，還是有著很長(zhǎng)的一段研發(fā)路程。

5 總結(jié)與展望

本文簡(jiǎn)略介紹了超導(dǎo)體的定義以及與理想導(dǎo)體的區(qū)別，并就目前的應(yīng)用作了簡(jiǎn)單描述，最后敘述了超導(dǎo)體大規(guī)模應(yīng)用可能存在的難題。同時(shí)中國(guó)在超導(dǎo)這一領(lǐng)域的貢獻(xiàn)也是巨大的，在不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)超導(dǎo)材料的研究與應(yīng)用一定會(huì)加速發(fā)展，解決國(guó)家需求，發(fā)揮低碳材料的作用，在國(guó)家低碳競(jìng)爭(zhēng)力中占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

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