第7节 超导(修订中)
[TOC]
当冷却到超低温（接近绝对零，约 -273° 摄氏度）时，导体会失去所有电阻。 (opens new window)必须理解的是，超导性不仅仅是大多数导体随着温度降低而逐渐失去电阻的趋势的推断。相反，它是电阻率从有限到无的突然的巨大飞跃。超导材料的电阻绝对为零，而不仅仅是少量。
超导性是由荷兰莱顿大学的 H. Kamerlingh Onnes 于 1911 年首次发现的。就在三年前，即 1908 年，Onnes 开发了一种液化氦气的方法，该方法提供了一种介质，可以将实验物体过冷到刚好比绝对零高几度。他决定研究当冷却到如此低的温度时汞的电阻变化，他发现它的电阻在氦的沸点以下下降到_零。_
关于超导材料究竟如何以及为什么超导存在一些争论。一种理论认为，电子在超导体内聚集在一起并成对（称为**库珀对**）行进，而不是独立行进，这与它们的无摩擦流动有关。有趣的是，某些液体（尤其是液氦）会发生另一种超低温现象，即超_流性，从而导致分子的无摩擦流动。_
超导性为电路提供了非凡的能力。如果可以完全消除导体电阻，则电力系统不会因杂散电阻而造成功率损失或效率低下。可以使电动机几乎完美（100％）高效。诸如电容器和电感器之类的元件，其理想特性通常会被固有的导线电阻破坏，但在实际意义上可以做得很理想。已经开发了一些实用的超导导体、电机和电容器，但由于维持超低温所固有的实际问题，它们目前的使用受到限制。
超导体从正常导电转变为超导的临界温度称为_转变温度_。“经典”超导体的转变温度在低温范围内（接近绝对零），但在开发在较高温度下超导的“高温”超导体方面取得了很大进展。一种类型是钇、钡、铜和氧的陶瓷混合物，它在相对温和的 -160° 摄氏度下转变。理想情况下，超导体应该能够在环境温度范围内工作，或者至少在廉价制冷设备的范围内工作。
下表显示了一些常见物质的临界温度。温度以开尔文为单位给出，其增量跨度与摄氏度相同（增加或减少 1 开尔文与 1° 摄氏度的温度变化量相同），仅偏移以使 0 K 绝对为零。这样，我们就不必处理很多负面数据。
| 材料 | 元素/合金 | 临界温度(K) |
|---|---|---|
| 铝 | 元素 | 1.20 |
| 镉 | 元素 | 0.56 |
| 带领 | 元素 | 7.2 |
| 汞 | 元素 | 4.16 |
| 铌 | 元素 | 8.70 |
| 钍 | 元素 | 1.37 |
| 锡 | 元素 | 3.72 |
| 钛 | 元素 | 0.39 |
| 铀 | 元素 | 1.0 |
| 锌 | 元素 | 0.91 |
| 铌/锡 | 合金 | 18.1 |
| 硫化铜 | 化合物 | 1.6 |
超导材料也以有趣的方式与磁场相互作用。在超导状态下，超导材料倾向于排除所有磁场，这种现象称为_迈斯纳效应_。然而，如果磁场强度超过临界水平，超导材料将变为非超导。换句话说，如果暴露在太强的磁场中，超导材料将失去它们的超导性（无论你制造它们有多冷）。事实上，_任何_磁场的存在都会降低任何超导材料的临界温度：存在的磁场越多，在材料超导之前必须使材料越冷。
这是电路设计中超导体的另一个实际限制，因为通过任何导体的电流都会产生磁场 (opens new window)。即使超导线对电流的阻力为零，但由于其临界磁场限制，实际上可以通过该导线的电流仍然存在限制_。_
超导体已经有一些工业应用，特别是自从最近（1987 年）钇钡铜氧陶瓷问世以来，它只需要液氮冷却，而不是液氦。甚至可以从教育供应商处订购可在高中实验室使用的超导套件（不包括液氮）。通常，这些套件通过迈斯纳效应表现出超导性，将一个微小的磁铁悬浮在半空中的一个由液氮浴冷却的超导圆盘上。
超导电路提供的零电阻导致了独特的后果。在超导短路中，可以在零施加电压的情况下无限期地保持大电流！
超导材料环已被实验证明可以在不施加电压的情况下维持多年的连续电流。就任何人所知，在超导电路中独立电流可以维持多长时间没有理论上的时间限制。如果您认为这似乎是_永动机_的一种形式，那您是对的！与流行的看法相反，没有禁止永动机的物理定律。相反，该禁令是针对任何产生的能量超过其消耗的能量的机器或系统（这将被称为_过度统一_设备）。充其量，所有永动机（如超导环）的好处是_储存_能量，而不是自由_产生能量！_
超导体还提供了一些与欧姆定律 (opens new window)无关的奇怪可能性。一种这样的可能性是构建一个称为**约瑟夫森结**的设备，它充当某种继电器，用另一个电流控制一个电流（当然没有移动部件）。Josephson Junctions 的小尺寸和快速开关时间可能会导致新的计算机电路设计：使用半导体晶体管的替代方案。
# 1. 总结
- 超导体是电阻绝对为零的材料。
- 所有目前已知的超导材料都需要冷却到远低于环境温度才能超导。他们这样做的最高温度称为_转变温度_。
相关练习：