超導現(xiàn)象與超導材料是近代物理學最重要的發(fā)現(xiàn)之一，由于其巨大的科學和實際應(yīng)用價值，經(jīng)過科學家們不懈地探索研究，已經(jīng)取得令人振奮的成果，成為電子材料百花園中一朵瑰麗的新花。
    1．超導材料的定義
    超導材料( super conducting material)是指在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料�，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體。
    2．超導材料的特性
    超導材料和常規(guī)導電材料的性能有很大的不同，主要有以下性能。
    1)零電阻性
    1911年物理學家發(fā)現(xiàn)，汞在Tc=4.2K時，其電阻率p→0，汞的這種現(xiàn)象稱為超導現(xiàn)象。Tc稱為轉(zhuǎn)變溫度。
    此后，科學家又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)其他材料在某個轉(zhuǎn)變溫度下也具有同樣的零電阻特性，例如，鈮(Nb)的轉(zhuǎn)變溫度為9.2K，他合物氮化鈮(NbN)的轉(zhuǎn)變溫度為14. 7K，鈮三鍺(Nb3Ge)的轉(zhuǎn)變溫度為23.2K。
    超導材料處于超導態(tài)時電阻為零，能夠無損耗地傳輸電能。如果用磁場在超導環(huán)中引發(fā)感生電流，這一電流可以毫不衰減地維持下去。這種“持續(xù)電流”已多次在實驗中觀察到。
    2)完全抗磁性
    超導材料處于超導態(tài)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(nèi)的磁場恒為零。超導材料的這種抗磁性又稱為邁斯納效應(yīng)，如圖4.2.8所示。

                     
    3)約瑟夫森效應(yīng)
    約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)是電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應(yīng)。
    把兩塊超導體通過一絕緣薄層（厚度為10A左右）連接起來，絕緣層對電子來說是一勢壘，一塊超導體中的電子可穿過勢壘進入另一超導體中，這是特有的量子力學的隧道效應(yīng)。當絕緣層太厚時，隧道效應(yīng)不明顯；太薄時，兩塊超導體實際上連成一塊，這兩種情形都不會發(fā)生約瑟夫森效應(yīng)。絕緣層不太厚也不太薄時稱為弱連接超導體。兩塊超導體夾一層薄絕緣材料的組合稱為S-I-s超導隧道結(jié)或約瑟夫森結(jié)。約瑟夫森效應(yīng)應(yīng)用的實例之一就是利用約瑟夫森結(jié)制成的約瑟夫森器件，這種器件具有開關(guān)速度快、功耗低等特點，可組成性能優(yōu)良的計算機元件。
    4)同位素效應(yīng)
   超導體的臨界溫度Tc與其同位素質(zhì)量M有關(guān)。M越大，Tc越低，這種現(xiàn)象稱為同位素效應(yīng)。例如，原子量為199.55的汞同位素，它的Te是4.18K；而原子量為203.4的汞同位素，Tc為4.146K。

    3．超導材料的分類
    超導材料按其化學成分可分為超導元素、合金材料，、超導化合物和超導陶瓷。
    (1)超導元素：在常壓下有28種元素具有超導電性，其中鈮(Nb)的Te最高，為9.26K。電工中實際應(yīng)用的主要是鈮和鉛（Pb, T_C=7.201K），已用于制造超導交流電力電纜、高Q值諧振腔等。
    (2)合金材料：在超導元素中加入某些其他元素作合金成分，可以使超導材料的性
    能提高。例如，鈮加入鋯形成的鈮鋯合金（Nb-752r），Tc達到10.8K。
    (3)超導化合物：超導元素與其他元素化合常有很好的超導性能，知已大量使用的Nb₃Sn，其Tc=18.1K。
    (4)超導陶瓷：首先在鑭一鋇一銅一氧化物陶瓷中發(fā)現(xiàn)了TC一35K的超導電性’后來在鋇一釔一銅氧化物陶瓷中發(fā)現(xiàn)Te處于液氮溫區(qū)有超導電性，使超導陶瓷成為極有發(fā)展前景的超導材料。

    4．超導材料的應(yīng)用
    超導材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人類展示了誘人的應(yīng)用前景.但實際應(yīng)用超導材料時受到一系列因素的制約，首先是它的臨界參量，其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導陶瓷如何制成柔細的線材就有一系列工藝問題）。因此超導材料的應(yīng)用主要有：
    (1)利用材料的超導電性可制作磁體，應(yīng)用于電機、高能粒子加速器、磁懸浮運輸、受控熱核反應(yīng)、儲能等；可制作電力電纜和超導變壓器（見圖4.2.9），用于大容量輸電（功率可達10000MV·A）；可制作通信電纜和天線，其性能優(yōu)于常規(guī)材料。
    (2)利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。
    (3)利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計算機的邏輯和存儲元件，其運算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。           OP27GS    

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