超导现象与超导材料是近代物理学最重要的发现之一，由于其巨大的科学和实际应用价值，经过科学家们不懈地探索研究，已经取得令人振奋的成果，成为电子材料百花园中一朵瑰丽的新花。
    1．超导材料的定义
    超导材料( super conducting material)是指在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。
    2．超导材料的特性
    超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同，主要有以下性能。
    1)零电阻性
    1911年物理学家发现，汞在Tc=4.2K时，其电阻率p→0，汞的这种现象称为超导现象。Tc称为转变温度。
    此后，科学家又陆续发现其他材料在某个转变温度下也具有同样的零电阻特性，例如，铌(Nb)的转变温度为9.2K，他合物氮化铌(NbN)的转变温度为14. 7K，铌三锗(Nb3Ge)的转变温度为23.2K。
    超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。
    2)完全抗磁性
    超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。超导材料的这种抗磁性又称为迈斯纳效应，如图4.2.8所示。

                     
    3)约瑟夫森效应
    约瑟夫森(Josephson)效应是电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。
    把两块超导体通过一绝缘薄层（厚度为10A左右）连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。当绝缘层太厚时，隧道效应不明显；太薄时，两块超导体实际上连成一块，这两种情形都不会发生约瑟夫森效应。绝缘层不太厚也不太薄时称为弱连接超导体。两块超导体夹一层薄绝缘材料的组合称为S-I-s超导隧道结或约瑟夫森结。约瑟夫森效应应用的实例之一就是利用约瑟夫森结制成的约瑟夫森器件，这种器件具有开关速度快、功耗低等特点，可组成性能优良的计算机元件。
    4)同位素效应
   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，这种现象称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Te是4.18K；而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146K。

    3．超导材料的分类
    超导材料按其化学成分可分为超导元素、合金材料，、超导化合物和超导陶瓷。
    (1)超导元素：在常压下有28种元素具有超导电性，其中铌(Nb)的Te最高，为9.26K。电工中实际应用的主要是铌和铅（Pb, T_C=7.201K），已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。
    (2)合金材料：在超导元素中加入某些其他元素作合金成分，可以使超导材料的性
    能提高。例如，铌加入锆形成的铌锆合金（Nb-752r），Tc达到10.8K。
    (3)超导化合物：超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能，知已大量使用的Nb₃Sn，其Tc=18.1K。
    (4)超导陶瓷：首先在镧一钡一铜一氧化物陶瓷中发现了TC一35K的超导电性’后来在钡一钇一铜氧化物陶瓷中发现Te处于液氮温区有超导电性，使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。

    4．超导材料的应用
    超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景.但实际应用超导材料时受到一系列因素的制约，首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。因此超导材料的应用主要有：
    (1)利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆和超导变压器（见图4.2.9），用于大容量输电（功率可达10000MV·A）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。
    (2)利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。
    (3)利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。           OP27GS    

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