超导材料的应用与研究

有些材料当温度下降至某一临界温度时，其电阻消失，这种现象称为超导电性。具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是：当电阻消失时，磁力线将不能通过超导体，这种现象称为抗磁性。

一般金属（如铜）的电阻率随温度的下降而逐渐减小，当温度接近于0K时，其电阻达到某一值。1919年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K（即-269℃）时，发现水银的电阻完全消失。图9-3所示为铜（Cu）与水银（Hg）的电阻率随温度变化的曲线。

图9-3 铜与水银的电阻率随温度变化的曲线

超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度（T_c）。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”，即寻找高温超导材料。(www.xing528.com)

以NbTi、Nb₃Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范，已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其他任何非超导装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦（温度为4.2K）系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（温度为4.2K）提高到液氮（温度为77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的磁性能，能够用来产生20T以上的强磁场。

超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。搭载利用超导材料制成的线圈磁体的超导发电机，磁场强度达到5～6万Gs，而且几乎没有能量损失。与常规发电机相比，超导发电机的单机容量提高5～10倍，发电效率提高50%。超导输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，目前的铜导线或铝导线输电，约有15%的电能损耗在输电线上，我国每年的电力损失达1 000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。利用超导材料的抗磁性，将超导材料置于永久磁体（或磁场）的上方，由于超导的抗磁性，磁体的磁力线不能穿过超导体，磁体（或磁场）和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在上方，利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。高速计算机要求在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产生大量的热量，若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件，则不存在散热问题，可使计算机的速度大大提高。