王为民（四川省南充市龙门中学邮编637103）

从上一个世纪开始，随着低温技术的材料科学的发展，人们发现和认识了一个特殊的物理状态，那就是超导态。近年，由于高温超导材料的发现，使得超导研究成为物理科学中的热门。

一、超导现象

1911年，荷兰物理学家卡末林 ·昂尼斯(Kamerling Onnes)把水银的温度降低至 Tc =4.2K 左右时，水银的突然降低为零。他同时发现金、银、铜、铁等很多金属都有此现象。他于 1913 年把它命名为超导态。即当物质的温度小于某一临界转变温度 Tc 时自动成为超导态。

如果把超导体做成圆环，放在磁场中，再把温度降低到超导转变温度Tc时，突然去除磁场，根据法拉第电磁感应电流形成原理， 圆环形的超导体内就会立即产生电流，由于没有电阻，结果几年以后，这个圆环形的超导体内一直有电流流动而永不衰减，成为“永久电流”。

1933 年迈斯纳等人发现处于超导态的锡球周围的磁场的磁力线被超导态排斥在外，超导体内的磁感应强度始终为零，这个现象后来被叫做迈斯纳效应。

我们知道磁铁的同名磁极磁力线相互排斥，所以磁铁的同名磁极相互排斥。既然超导体能排斥磁力线，所以，也会产生一个推力。阿卡捷夫用一个有三条铜腿支撑的铅碗浸入液态氦中，使其达到 超导转变温度，然后用一块磁铁由远至近地靠近 铅碗，结果，因为铅碗是超导体而完全排斥磁力线，所以，铅碗的排斥力把 磁铁悬浮在空中， 铅碗的排斥力和磁铁重力相平衡。据此，人们利用这个道理来制造磁悬浮列车。

超导态不是唯一决定于温度的。昂尼斯发现，当超导导线（如铅线）中的电流超过某一临界电流强度 Ic 时，超导导线自动变成普通导线。

昂尼斯还发现把超导导线放在外磁场中，如果外磁场的强度超过某一临界磁场强度Hc超导导线也自动变成普通导线。

人们发现，超导体实际分成两类，即第Ⅰ类超导体和第 Ⅱ类超导体。

第Ⅰ 类超导体能够屏蔽磁场，有迈斯纳效应。第 Ⅰ类超导体超导导线的超导特性，不仅要求导线温度小于没有外磁场时的临界转变温度Tc ，还要 导线中的电流强度小于临界电流强度Ic， 导线的外磁场要小于临界磁场强度Hc时，才表现出超导特性 。否则，超导态就会自动消失。

第Ⅱ 类超导体没有或只有部分迈斯纳效应。它能够让磁场进入超导体内。

一、 形成原因

第Ⅰ类超导体超导态形成的原因是由于金属中的电子形成了库柏电子对产生的。

金属是由晶格点阵和自由电子组成的。而电阻是晶格点阵对电子的散射作用产生的。

1957 年巴丁、库柏、施里弗共同创立了超导的微观理论，简称 BCS 理论。BCS理论认为，金属在超导态的情况下，一部分电子两两配合成对，形成电量为2e的库柏电子对，形成库柏电子对的两个电子不仅自旋方向相反，而且动量大小相等，方向相反，它们通过交换虚声子相互吸引在一起，总动量等于常数。库柏电子对在被金属中的晶格点阵散射时，两个电子的动量此消彼长，但总动量恒定不变。所以，以库柏电子对方式形成的电流在宏观上没有电阻，这样就成了超导体。

二流体模型认为，库柏电子对是一种超流电子，它和超流液氦相似。所以，超流电子可以在环形超导体中没有阻碍地通过，形成永不衰减的“永久电流”。

超流电子在超导体表面流动产生出来的磁场将与外磁场香抵消，形成磁屏蔽作用，使超导体内的

磁感应强恒为零，这就是迈斯纳效应。

要使金属转变成超导态，必须将金属中作热运动的电子能量降低，以“凝聚”成库柏电子对，相反，如果给超导态的金属中的库柏电子对提供热能或电磁能，使温度、电流强度、外磁场强度超过它们的临界值，库柏电子对被激发成两个单电子，金属的超导态就退化为正常态。 由于拆开电子对需要一定能量，因此超导体中基态和激发态之间存在能量差，即能隙。这一理论预言了电子对能隙的存在，解释了超导现象，被科学界称作 “巴库斯理论” （BCS理论） 。

1960~1961年，美籍挪威人贾埃瓦用铝做成隧道元件进行超导实验，直接观测到了超导能隙，证明了巴库斯理论。

1962年，年仅20 多岁的剑桥大学实验物理研究生约瑟夫逊在著名科学家安德森指导下研究超导体能隙性质，约瑟夫逊提出
1、在超导结中，电子对可以通过氧化层形成无阻的超导电流，这个现象称作直流约瑟夫逊效应。
2、当外加直流电压为 V时，除直流超导电流之外，还存在交流电流，这个现象称作交流约瑟夫逊效应。
3、将超导体放在磁场中，磁场透入氧化层，这时超导结的最大超导电流随外磁场大小作有规律的变化。

现在，约瑟夫森效应已成为微弱电磁信号探测和其他电子学应用的基础。

第Ⅱ类超导体一般是各种金属的合金或是由非金属和铜组成的化合物。第 Ⅱ类超导体即使在强磁场中也能保持超导性质，不能用BCS理论来描述。 所有高温超导体都是第 Ⅱ类超导体。

阿布里科索夫提出了第 Ⅱ类超导体内部存在电子液体的涡旋，在外磁场作用下，外磁场能够通过涡旋贯穿超导材料。阿布里科索夫以序参量描述超导冷凝物密度。如果外磁场强度增大，第 Ⅱ类超导体电子液体的涡旋数目增加。如果涡旋中心重叠，超导性质消失。

三、超导现象的唯象描述

如果假设超导态下所有电子都已配对形成库柏电子对，并且可以用一个量子态描述，那么，超导态的波函数为

其中ρ、θ均为实数。

表示库柏电子对的空间分布密度，是一个宏观意义下的观测量。 θ是波函数的相位。表示所有电子有相同的相位，处于相干叠加态。

库柏电子对的电流密度为

如果A=0，那么，磁场B= ×A=0，有 ×j=0（非旋），就没有什么新现象。在有磁场存在时 ×j≠0，θ作为 波函数的相位要求满足一定的条件，从而产生出迈斯纳效应（超导体的抗磁性）和超导环内的磁通量的量子化。

以一维金属铅为例，当单位体积内的自由电子数 N 为3×10²²/cm³ 时，磁场进入超导体的特征深度为λ^-1≈ 3×10^-6m。所以，金属铅的 超导态表现出排斥磁场的特性。

如果把一空心的金属圆筒放在磁场中，虽然金属圆筒内外空间都有磁场，当把温度降低到超导 临界转变温度 Tc 以下， 金属圆筒把磁场排斥在金属圆筒筒内和筒外的空间中，这是 迈斯纳效应（超导体的抗磁性） 。

如果此时突然撤掉外加磁场。就会发现被陷入在金属圆筒筒内空间中的磁场无法从筒内空间中逃逸出去。并且，金属圆筒筒内空间中磁场的磁通量ф是量子化的

伦敦（F.London）预言了这一宏观量子现象，并于 1951年被实验所证实。

其中q=-2e

如果两块超导体之间有一绝缘薄层，只要绝缘薄层足够薄，超导体中的库柏电子对就有一定的几率跨过缘薄层，在宏观上表现出势垒贯穿现象。

超导的二次量子化理论形式较为复杂，这里不作介绍。

四、超导技术在高速列车上 的应用

70年代，超导技术被应用在列车研制中，科学家在 列车上安装上强大的超导磁体，地面上安放一系列金属环状线圈。在车辆行进过程中，使车上的磁体在地面上的线圈中感应起相反的磁极，使它们相互间产生的斥力将列车浮出地面，这样，车辆在电机牵引下无摩擦地高速前进，最高时速达 500千米/小时 。

五、高温超导

1986年发现某些金属氧化物陶瓷材料会呈现出超导现象，其转变温度高于液氮气化点（78K）。

1987年1 月，日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到 43K ；不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到 46K 和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组，获得了 48 ．6K的锶镧铜氧系超导体，并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。

1987 年2月16日 ，美国国家科学基金会宣布，朱经武与吴茂昆获得转变温度为 98K 的超导体。

1987 年2月20日 ，中国宣布发现 100K 以上超导体。

1987 年3月3日 ，日本宣布发现 123K 超导体。

1987 年3月12日 ，中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。

1987 年3月27日 ，美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为 240K 的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在 14℃ 温度下存在超导迹象。

1987年12 月30，美国休斯敦大学宣布，美籍华裔科学家朱经武将超导温度提高到 40 ． 2℃

1987年，日本铁道综合技术研究所的“MLU002” 号磁悬浮实验车试运行。

1991年3 月，日本住友电气工业公司展示了世界上第一个超导磁体。

1991年10月，日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到 40 安培/ 平方毫米，为世界最高水准。他们用铌和锡的化合物做成新型超导磁体，用于国际热核聚变堆。。

1992 年1月27日 ，第一艘由日本船舶和海洋基金会建造的超导船 “大和”1号在日本神户下水试航。

1992年，一个耗资超过82亿美元，以巨型超导磁体为主的超导超级对撞机特大型设备，在美国得克萨斯州建成并投入使用。

1996 年，用高温超导电线制成了第一条地下输电电缆。