3.3-超導(dǎo)材料研究進(jìn)展

1、超導(dǎo)材料研究進(jìn)展胡 平西建大冶金學(xué)院主要內(nèi)容超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介超導(dǎo)材料的特性超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)體的分類超導(dǎo)材料的發(fā)展超導(dǎo)現(xiàn)象的物理本質(zhì)超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)與原子能技術(shù)、化學(xué)合成技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和激光器技術(shù)并稱為20世紀(jì)五大科技發(fā)明。超導(dǎo)材料的出現(xiàn)將人們帶進(jìn)一個(gè)前景十分廣闊的新技術(shù)領(lǐng)域。原子能技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù)化學(xué)合成技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)Si激光器技術(shù)超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用將對(duì)科技、軍事、經(jīng)濟(jì)乃至社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。新能源開(kāi)發(fā)、能量?jī)?chǔ)存、交通工具更新、資源勘探、天氣及地震預(yù)報(bào)、射電天文觀察等都與超導(dǎo)結(jié)下了不解之緣。超導(dǎo)技術(shù)超導(dǎo)材料簡(jiǎn)介1908 年，荷蘭科學(xué)家昂尼斯（Onne s） 首次將氦氣液化，并得到了低于4K的

2、溫度。1911 年，他在測(cè)量一個(gè)固態(tài)汞樣品汞線的電阻與溫度的關(guān)系時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)汞冷卻到4.4K（即 - 269） 時(shí)，電阻突然消失了。隨后，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)許多金屬、合金及金屬間化合物也具有這種特性。人們將物質(zhì)所具有的這種在某一溫度下電阻突然消失的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性，簡(jiǎn)稱超導(dǎo)。物質(zhì)完全沒(méi)有電阻的狀態(tài)稱為物質(zhì)的超導(dǎo)狀態(tài)，物質(zhì)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度成為轉(zhuǎn)變溫度Tc或臨界溫度Tc。超導(dǎo)材料的特性超導(dǎo)材料的特性完全導(dǎo)電性完全抗磁性約瑟夫森效應(yīng)導(dǎo)體在常溫下具有一定導(dǎo)電能力，或者說(shuō)有一定的電阻率。1911年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體在特定溫度以下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珱](méi)有電阻的狀態(tài)（完全導(dǎo)電性）在零電阻性出現(xiàn)的同時(shí)這些物質(zhì)

3、還伴有完全抗磁性弱連接超導(dǎo)體中還發(fā)現(xiàn)了隧道效應(yīng)荷蘭物理學(xué)家昂納斯完全導(dǎo)電性昂納斯用一個(gè)鉛線制的閉合線圈，先加磁場(chǎng)，再降低溫度；當(dāng)溫度下降到一定值，線圈進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，撤去磁場(chǎng)，在閉合線圈中激發(fā)一個(gè)感生電流。若線圈有電阻，這個(gè)感生電流就會(huì)逐漸衰減。在實(shí)驗(yàn)所用的液氦完全蒸發(fā)掉以前的二個(gè)多小時(shí)內(nèi)，沒(méi)有觀察到電流的衰減，得出的結(jié)論是：線圈在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，其電阻的上限為它在0時(shí)電阻的0.2-0.310-10倍，幾乎為零。汞的電阻在4.2K到4.3K之間減小極快，并在4.19K基本完全消失，在1.5K電阻值小于十億分之一歐。汞在4.2K附近進(jìn)入一個(gè)新的物態(tài)，電阻幾乎為零。當(dāng)溫度下降到某一臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)體出現(xiàn)電

4、阻突變?yōu)榱愕奶匦苑Q為完全導(dǎo)電性，也叫零電阻效應(yīng)。汞在液氦溫度附近電阻的變化曲線超導(dǎo)體的零電阻與常導(dǎo)體的零電阻本質(zhì)完全不同：金屬導(dǎo)體中有大量的自由電子，施加電壓后形成電流。電子在運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到阻尼散射，產(chǎn)生電阻。電子的阻尼散射由兩方面的因素造成：固體原子熱運(yùn)動(dòng)引起的散射，也叫聲子阻尼散射；雜質(zhì)原子散射，雜質(zhì)原子在固體中雜亂分布，破壞晶體場(chǎng)的周期性，并且雜質(zhì)散射與溫度無(wú)關(guān)；低溫下，原子熱運(yùn)動(dòng)很小，當(dāng)溫度足夠低時(shí)，金屬電阻就僅有雜質(zhì)電阻構(gòu)成。常導(dǎo)體的零電阻是指在沒(méi)有缺陷、雜質(zhì)的理想晶體中，在足夠的低溫下自由電子不受聲子散射和雜質(zhì)散射的影響，可以不受限制的運(yùn)動(dòng)。超導(dǎo)體的零電阻是當(dāng)溫度下降到特定值時(shí)，電阻

5、幾乎是躍變至零的，此時(shí)導(dǎo)體中的電子受到散射的同時(shí)又吸收同樣的能量，它們的總能量和動(dòng)量沒(méi)有受到損失，不需電場(chǎng)力做功來(lái)補(bǔ)充能量和動(dòng)量的損失，所以沒(méi)有電阻。1933年，邁斯納和奧森菲爾德對(duì)單晶錫球的磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)不論是先降溫后再加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要錫球溫度達(dá)到超導(dǎo)臨界溫度Tc，磁力線似乎被完全排斥到超導(dǎo)體之外。只要TTc，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度總和為零，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。完全抗磁性：永磁體受到超導(dǎo)體排斥而懸浮 完全抗磁性超導(dǎo)體只要進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，都會(huì)出現(xiàn)完全抗磁性，與初始條件無(wú)關(guān)。完全抗磁性也稱為邁斯納效應(yīng)。NS降溫降溫加場(chǎng)加場(chǎng)S邁斯納效應(yīng)：S表示超導(dǎo)態(tài)，N表示正常態(tài)完全抗磁性并

6、不代表超導(dǎo)體中沒(méi)有磁場(chǎng)。在正常導(dǎo)體內(nèi)，電流均勻分布;在超導(dǎo)體內(nèi)，電流只分布在超導(dǎo)體表面附近的薄層內(nèi)，其它地方?jīng)]有電流。這一薄層被磁場(chǎng)穿透，也叫穿透層或穿透深度，一般為10-6-10-8m。在這深度以內(nèi)，超導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有磁場(chǎng)。超導(dǎo)體中的電流分布根據(jù)右手定則，超導(dǎo)體下表面的電流在體內(nèi)產(chǎn)生方向垂直于紙面由里指向外的磁場(chǎng)，上表面的電流在體內(nèi)產(chǎn)生方向垂直于紙面由外指向里的磁場(chǎng)。超導(dǎo)體表面層各電流都可像這樣一對(duì)一對(duì)地分別在超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生大小相等、方向相反的磁場(chǎng)，綜合作用使超導(dǎo)體內(nèi)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度為零，這就是超導(dǎo)體的完全抗磁效應(yīng)。右手定則20世紀(jì)60年代，英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫森在弱連接超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了隧道效應(yīng)。所謂的弱

7、連接超導(dǎo)體是在左右兩塊超導(dǎo)體(S1，S2)中間夾一塊厚度為納米級(jí)的絕緣膜(I)，形成新的超導(dǎo)體。約瑟夫森約瑟夫森效應(yīng)這種超導(dǎo)層-絕緣層-超導(dǎo)層(SIS)的結(jié)構(gòu)類似于一塊夾心層很薄的三明治。由于絕緣層很薄，使兩側(cè)弱耦合在一起的超導(dǎo)體具有全新的超導(dǎo)特性。約瑟夫森發(fā)現(xiàn)：電子可從一個(gè)超導(dǎo)體穿過(guò)絕緣薄膜層移到另一個(gè)超導(dǎo)體，在這個(gè)過(guò)程中測(cè)量不到電壓。約瑟夫森效應(yīng)這意味著超導(dǎo)體中間的絕緣層也像超導(dǎo)體一樣，能讓超導(dǎo)電流通過(guò)，整體呈現(xiàn)出零電阻特性；如果電流超過(guò)出現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)所需的臨界電流，就和正常導(dǎo)體一樣，出現(xiàn)電壓。由于量子隧道的作用，可使電子通過(guò)兩個(gè)超導(dǎo)金屬中間極薄的絕緣勢(shì)壘，這個(gè)效應(yīng)被稱為超導(dǎo)隧道效應(yīng)或約瑟夫

8、森效應(yīng)，SIS結(jié)構(gòu)被稱為超導(dǎo)隧道結(jié)或約瑟夫森結(jié)。約瑟夫森效應(yīng)成為微弱電磁信號(hào)探測(cè)和超導(dǎo)電子學(xué)應(yīng)用的基礎(chǔ)。 超導(dǎo)體的臨界條件超導(dǎo)體具有三個(gè)臨界條件臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度Hc臨界轉(zhuǎn)變電流Ic Tc是指使超導(dǎo)體從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，電阻突然消失的溫度：如Rh的Tc為0.0002K，Hg的Tc為4.2K，Nb的Tc為9.2K，Nb3Ge的Tc為23.1K。超導(dǎo)元素Tc/K超導(dǎo)元素Tc/K超導(dǎo)元素Tc/KW0.01Os0.65Ti2.38Ir0.14Zn0.86In3.41Hf0.16Mo0.92Sn3.72Th0.37Co1.09Hg4.15Tl0.40Al1.19Ta4.40Ru0.49Pa1.

9、40V5.03Cd0.52Re1.70Tc8.20Zr0.54U2.00Nb9.20常見(jiàn)元素的臨界溫度Hc是指破壞超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài)的最小磁場(chǎng)強(qiáng)度。處于超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)，當(dāng)外界磁場(chǎng)超過(guò)Hc后，磁力線將完全貫通超導(dǎo)體內(nèi)部，超導(dǎo)電性被破壞。Hc是溫度的函數(shù)，隨著溫度的降低而增大，當(dāng)溫度為0K時(shí)達(dá)到最大。Ic是指超導(dǎo)態(tài)允許流動(dòng)的最大電流(破壞超導(dǎo)電性所需的最小極限電流)，亦是產(chǎn)生臨界磁場(chǎng)的電流。當(dāng)輸入電流超過(guò)Ic后，超導(dǎo)態(tài)將會(huì)被破壞。任何超導(dǎo)體作為實(shí)際電磁材料使用時(shí)，必然是處于一定溫度和磁場(chǎng)下，并通以一定的電流。溫度、磁場(chǎng)和電流密度一定要低于三個(gè)臨界參數(shù)，這是維持超導(dǎo)狀態(tài)的必要條件。不滿足

10、任何一個(gè)條件，超導(dǎo)狀態(tài)會(huì)立即消失。三個(gè)臨界條件Tc、Hc、Ic的關(guān)系圖超導(dǎo)體的分類只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)Hc的超導(dǎo)體叫第一類超導(dǎo)體。外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于Hc時(shí)，材料具有完全導(dǎo)電性和邁斯納效應(yīng)；外加磁場(chǎng)強(qiáng)度大于Hc時(shí)，超導(dǎo)特性消失。很多純金屬都屬于第一類超導(dǎo)體，Hc和Ic都很小，實(shí)用價(jià)值不大。第一類超導(dǎo)體 第二類超導(dǎo)體具有下臨界場(chǎng)Hc1和上臨界場(chǎng)Hc2。磁場(chǎng)小于Hc1時(shí)，材料處于純粹的超導(dǎo)態(tài)；磁場(chǎng)大于Hc1小于Hc2時(shí)，磁力線逐漸進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，但被釘扎，隨著磁場(chǎng)增加透入深度增加，材料內(nèi)既有超導(dǎo)部分，又有常導(dǎo)部分，電流只在超導(dǎo)部分通過(guò)；磁場(chǎng)大于Hc2時(shí)，磁力線完全穿透超導(dǎo)體，材料恢復(fù)常態(tài)。第二類超導(dǎo)體第二

11、類超導(dǎo)體的Hc2往往很大，如Nb3Sn的Hc2在液氦溫度時(shí)約有20T?；旌蠎B(tài)超導(dǎo)體的整體載流效果與完全超導(dǎo)體一樣，電流只沿著沒(méi)有電阻的超導(dǎo)區(qū)流動(dòng)，有電阻的正常區(qū)好象不存在一樣。要提高第二類超導(dǎo)體的臨界電流密度，就要阻止磁力線的運(yùn)動(dòng)。磁場(chǎng)中的洛倫茲力在超導(dǎo)材料中有意識(shí)地引進(jìn)大量晶體缺陷，或有意識(shí)地?fù)揭欢〝?shù)量的某種雜質(zhì)，以增加對(duì)磁力線的釘扎能力，大大提高臨界電流密度。高Hc和高Ic使第二類超導(dǎo)體具備作為強(qiáng)電材料的基本條件，使超導(dǎo)體作為實(shí)際材料使用成為可能。超導(dǎo)合金化合物(Nb3Sn、V3Ga)、氧化物(LaBaCuO、YBaCuO)都屬于第二類超導(dǎo)材料。晶體缺陷-面缺陷超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與人們對(duì)低溫世

12、界的探索密切相關(guān)，最重要的歷史背景就是人類液化氣體向絕對(duì)零度進(jìn)軍的歷程。公元13世紀(jì)，我國(guó)元朝宮廷食品中出現(xiàn)奶酪冰淇淋，它是一種用冰水、食鹽的混合液制取的冷食，標(biāo)志人類已用人工方法獲得零下21的低溫。低溫世界超導(dǎo)材料的發(fā)展1823年，法拉第研究壓力和冷卻對(duì)氣體的作用。一個(gè)密封的J形彎管，其下部彎曲部分裝有結(jié)晶氯化物，上部平直部分處于冷卻器中。加熱氯化物時(shí)，放出氯氣，管內(nèi)壓力增大，氯氣在試管上部冷卻段內(nèi)凝結(jié)。他首先獲得液態(tài)氯，并成功地液化了二氧化碳，獲得了零下78的低溫。著名科學(xué)家法拉第1861年，英國(guó)科學(xué)家湯姆遜和焦耳發(fā)現(xiàn)了焦耳-湯姆遜效應(yīng)。每種氣體相應(yīng)于一定壓強(qiáng)都有一個(gè)確定的轉(zhuǎn)換溫度：在這溫

13、度以下，氣體膨脹后變冷；在這溫度以上，氣體膨脹后變熱，這為人們征服“永久氣體”指明方向。焦耳湯姆遜1877年，根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)，法國(guó)人卡萊特發(fā)明可保持?jǐn)?shù)百大氣壓的空壓機(jī)，將毛細(xì)管增壓到300個(gè)大氣壓，然后撤去所加壓力，毛細(xì)管內(nèi)氣體劇烈膨脹，溫度降到零下118.9，實(shí)現(xiàn)氧氣的液化。1895年，德國(guó)人林德和英國(guó)人漢普遜利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)開(kāi)始大規(guī)模地生產(chǎn)液氧和液氮，著名的林德機(jī)成了低溫技術(shù)的基本設(shè)備。 1877年的氣體液化裝置林德.C.V1898年，英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家詹姆斯杜瓦在常壓下實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣的液化，獲得了20K左右的低溫。隨后，他又利用減壓降溫方法，獲得大約15K的低溫。但在氦的液化這

14、道關(guān)卡前，包括杜瓦在內(nèi)的許多著名科學(xué)家都失敗了。杜瓦和他的“杜瓦瓶”1908年，昂納斯成功實(shí)現(xiàn)氦氣液化，并獲得4K左右的低溫。1910年，獲得1.04K的低溫。昂納斯發(fā)現(xiàn)金屬越純，隨溫度的降低，其電阻就變得越小。在4.3K的溫度以下，鉑的電阻是一個(gè)不變的常數(shù)。昂納斯得出這樣的結(jié)論：“絕對(duì)純的鉑的電阻可能在氦的沸點(diǎn)消失”。昂納斯的氦氣液化實(shí)驗(yàn)321911年，昂納期在論文中提到，“純汞能夠被帶到這樣一個(gè)狀態(tài)，其電阻為零，或至少覺(jué)察不出與零的差異”，他稱這種零電阻狀態(tài)為超導(dǎo)電態(tài)，把電阻發(fā)生突然變化的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度。1913年，由于低溫超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)以及液氦的制備，昂納斯獲得該年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

15、。汞的電阻變?yōu)榱氵@一現(xiàn)象并不讓昂納斯意識(shí)到這就是具有劃時(shí)代意義的超導(dǎo)現(xiàn)象。在發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性以后的22年間，人們一直把超導(dǎo)體和完全導(dǎo)體(或稱無(wú)阻導(dǎo)體)等同起來(lái)。1933年，邁斯納和奧森弗爾德發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的完全抗磁性效應(yīng)，人們才認(rèn)識(shí)到，超導(dǎo)體不能被看作只是電阻為零的理想導(dǎo)體，而應(yīng)被看作同時(shí)具有理想導(dǎo)電性和完全抗磁性的新的物態(tài)。德國(guó)物理學(xué)家邁斯納1931年，德哈斯發(fā)現(xiàn)第一種合金超導(dǎo)體，人們開(kāi)始向高溫超導(dǎo)體進(jìn)軍。20世紀(jì)60年代，發(fā)現(xiàn)了具有高Tc、高Hc和高Ic的合金超導(dǎo)體，如Nb3Sn的Tc達(dá)到23.1K。1972年，史萊特等發(fā)現(xiàn)鉍酸鹽BaPbxBil-xO4的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到了13K。1973年，約翰

16、斯通發(fā)現(xiàn)金屬鈦鋰的氧化物Ti2-xLixO4的超導(dǎo)臨界溫度達(dá)13.7K。1986年以前只發(fā)現(xiàn)了在液氦溫區(qū)超導(dǎo)的低溫超導(dǎo)體，人們希望能找到高Tc的超導(dǎo)體。1986年4月，IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的白諾芝和繆勒在鑭鋇銅氧La1-xBaxCuO4中現(xiàn)察到高溫超導(dǎo)電性，在30K左右時(shí)，電阻隨溫度降低開(kāi)始加速下降，到10K以下電阻幾乎降到0。白諾芝和繆勒（右）1986年，東京大學(xué)在LaBaCuO中發(fā)現(xiàn)37K以上的抗磁轉(zhuǎn)變和23K以上的零電阻轉(zhuǎn)變溫度。貝爾電話電報(bào)公司將La1-xBaxCuO4中的摻雜物由Ba改為Sr，Tc提高到38K。臨界溫度為35K的锎鋇銅氧化物陶瓷超導(dǎo)材料1987年，休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武發(fā)現(xiàn)

17、在LaBaCuO系樣品上加大壓力，Tc可達(dá)48K以上。朱經(jīng)武用原子半徑較小的稀土原子釔替換原子半徑較大的原子鑭，在樣品中產(chǎn)生內(nèi)壓，獲得新的含銅氧化物陶瓷YBaCuO，Tc達(dá)到100K?？捎昧畠r(jià)安全的液氮(沸點(diǎn)77.3K)作為冷卻劑，實(shí)現(xiàn)“液氮溫區(qū)的超導(dǎo)電性”。著名學(xué)者朱經(jīng)武教授1988年，日本發(fā)現(xiàn)不含稀土的銅氧化物高溫超導(dǎo)體Bi2Sr2CaCu2Oy，其Tc高達(dá)110K；Ti2Ba2Ca2Cu3Oz的Tc達(dá)到125K，HgBa2Ca2Cu5Oz的Tc達(dá)到135K。2001年4月，340米鉍系高溫超導(dǎo)線在清華大學(xué)應(yīng)用超導(dǎo)研究中心研制成功，2001年5月，北京有色金屬研究總院成功制備出國(guó)內(nèi)最大面積

18、的高質(zhì)量YBaCuO超導(dǎo)薄膜，達(dá)到國(guó)際同類材料的先進(jìn)水平。2001年7月，香港科技大學(xué)宣布成功開(kāi)發(fā)出全球最細(xì)的納米超導(dǎo)線。Science報(bào)道，C60改性后Tc可以提高到117K。目前，我國(guó)超導(dǎo)臨界溫度已提高到零下120攝氏度，即153K左右。1911年，昂納斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，人們對(duì)超導(dǎo)物理本質(zhì)的研究就一直沒(méi)有停止過(guò)。1916年，美國(guó)物理學(xué)家西爾斯比建立了原來(lái)是兩個(gè)不同物理現(xiàn)象之間的聯(lián)系，提出假設(shè)：電流的臨界值就是當(dāng)電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)等于臨界磁場(chǎng)時(shí)的電流值。1924年，荷蘭物理學(xué)家開(kāi)色姆第一次把熱力學(xué)理論應(yīng)用于超導(dǎo)體，得出常態(tài)和超導(dǎo)態(tài)的熵差和臨界場(chǎng)導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系，為熱力學(xué)相變理論應(yīng)用于超導(dǎo)體奠

19、定基礎(chǔ)。超導(dǎo)現(xiàn)象物理本質(zhì)1928年，美國(guó)物理學(xué)家布洛赫等人提出金屬量子導(dǎo)電理論，這個(gè)理論在很多方面都很成功，但不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象。布洛赫理論采用自由電子模型，忽略了電子之間及電子與晶格點(diǎn)陣之間的各種相互作用，人們有理由猜測(cè)，一定是自由電子模型中所忽略的某種相互作用，恰好是產(chǎn)生超導(dǎo)現(xiàn)象的根源。費(fèi)利克斯布洛赫1933年，邁斯納發(fā)現(xiàn)抗磁性效應(yīng)后，人們發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)材料的零電阻性和完全抗磁性具有可逆性，而且在磁場(chǎng)中超導(dǎo)-正常態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程中有潛熱。人們測(cè)出潛熱的大小，確定這是一種一級(jí)相變。超導(dǎo)態(tài)實(shí)際是常態(tài)物質(zhì)的一種新態(tài)(相)，此時(shí)材料的結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)沒(méi)有什么變化，沒(méi)有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，這進(jìn)一步暗示超導(dǎo)相變可能是因?yàn)?/p>

20、電子的行為所引起的。1934年，戈持和卡西米爾提發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)電子的熵幾乎全部為零，正常態(tài)電子的熵正比于溫度，這說(shuō)明超導(dǎo)態(tài)要比正常態(tài)更為有序。戈特和卡西米爾提設(shè)想，在超導(dǎo)體中有兩種流體，更為有序的電子是處于無(wú)阻電流的超導(dǎo)電子。二流體模型中電子有序被錯(cuò)誤地理解為位置空間的有序，事實(shí)上，應(yīng)是動(dòng)量空間的有序。盡管二流體模型比較粗糙，但它為以后發(fā)展的理論提供了十分有益的啟示。1935年，弗里茲.倫敦和海因茲.倫敦兄弟提出了著名的“倫敦方程”，預(yù)言了穿透深度的存在。倫敦方程很好地解釋超導(dǎo)體的完全導(dǎo)電性和完全抗磁性，屏蔽外磁場(chǎng)的電流僅在穿透層內(nèi)流動(dòng)，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)恒等于零。倫敦方程的物理意義451950年，

21、弗羅里希指出，電子與聲子之間的相互作用是產(chǎn)生超導(dǎo)電性的原因，在超導(dǎo)微觀機(jī)制研究方面邁出了重要一步。與此同時(shí)，雷諾茲等人發(fā)現(xiàn)了同位素效應(yīng)，即超導(dǎo)體的臨界溫度與它的同位素原子量的平方根成反比。由于聲子振動(dòng)的頻率也與原子量的平方根成反比，所以同位素效應(yīng)也暗示了超導(dǎo)體中電子行為和聲子之間的密切聯(lián)系。461951年，古德曼對(duì)超導(dǎo)體熱導(dǎo)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的電子比熱以指數(shù)形式隨溫度變化，超導(dǎo)體能隙的量級(jí)約為萬(wàn)分之一電子伏，遠(yuǎn)小于金屬的費(fèi)米能EF(1電子伏)。一個(gè)電子從常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導(dǎo)態(tài)，其能量降低到它原有能量的萬(wàn)分之一，正好與聲子的能量相當(dāng)。為將聲子與超導(dǎo)現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)，人們想到了電子之間的相互作用。19

22、56年，庫(kù)珀研究表明，當(dāng)兩個(gè)電子有凈的相互吸引作用時(shí)，不論吸引作用多弱，它們都能形成能量較低的束縛態(tài)。處于束縛態(tài)的自旋相反的電子對(duì)通常被人們稱為庫(kù)珀電子對(duì)，當(dāng)這種電子對(duì)的總動(dòng)量為零時(shí)束縛得最緊。庫(kù)珀對(duì)中兩個(gè)電子的動(dòng)量大小相同，方向相反，每個(gè)電子對(duì)的總動(dòng)量是零。物理學(xué)家?guī)扃闘eon N. Cooper, Bound Electron Pairs in a Degenerate Fermi Gas, Phys. Rev. 104, 1189 (1956).臨界溫度時(shí)，費(fèi)米面附近的電子全部凝聚成庫(kù)珀對(duì)，以降低總能量。大量庫(kù)珀對(duì)的出現(xiàn)意味著超導(dǎo)態(tài)的形成。溫度升高，越來(lái)越多的電子被熱運(yùn)動(dòng)激發(fā)，庫(kù)珀電子對(duì)

23、越來(lái)越少，到臨界溫度以上時(shí)，不再有庫(kù)珀對(duì)，全部電子都被激發(fā)，樣品轉(zhuǎn)為正常態(tài)。庫(kù)柏預(yù)期，費(fèi)米面上這種電子對(duì)的集合將顯示超導(dǎo)態(tài)的許多平衡性質(zhì)，這正是人們期待已久的超導(dǎo)態(tài)微觀物理本質(zhì)。1957年，巴丁、庫(kù)珀和施瑞弗發(fā)表超導(dǎo)電性的微觀理論，從微觀上成功解釋了超導(dǎo)電性的起源和超導(dǎo)體的許多性質(zhì)，即著名的超導(dǎo)“BCS理論”。巴?。ㄗ螅?，庫(kù)珀，施瑞弗（右）Bardeen, L. N. Cooper, and J. R. Schrieffer, Microscopic Theory of Superconductivity, Phys. Rev. 106, 162 (1957).BCS理論要點(diǎn)：兩個(gè)電子組成凝聚

24、電子對(duì)后，其中一個(gè)電子即使受到晶格振動(dòng)或雜質(zhì)碰撞的阻礙，電子對(duì)中的另一個(gè)電子也能起到調(diào)節(jié)作用，即另一個(gè)電子獲得的能量和動(dòng)量與第一個(gè)電子損失的能量和動(dòng)量相同，電子對(duì)通路不受影響，這就是電子對(duì)產(chǎn)生超導(dǎo)的緣由。電子A電子B（聲子）電子和聲子之間的相互作用在超導(dǎo)態(tài)下，組成庫(kù)珀對(duì)的電子雖然也不斷地被散射，但這種散射不影響庫(kù)珀對(duì)的質(zhì)心動(dòng)量，電子對(duì)的能量沒(méi)有損失，是無(wú)阻尼散射。電流通過(guò)超導(dǎo)體時(shí)，庫(kù)珀對(duì)的定向勻速運(yùn)動(dòng)不受阻礙，也就沒(méi)有電阻。和正常導(dǎo)體中電子不同，超導(dǎo)電子受到散射的同時(shí)又吸收了同樣的能量和動(dòng)量，它們沒(méi)有損失什么，不需要電場(chǎng)力做功來(lái)補(bǔ)充，所以沒(méi)有電阻。超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料在能源工業(yè)中的應(yīng)用地球上

25、的礦物能源最多再用幾百年就枯竭。太陽(yáng)能由于轉(zhuǎn)換效率較低，不能作為最主要的能源。原子能一定程度上緩解了能源危機(jī)，但原子能是通過(guò)鈾的核裂變產(chǎn)生，而鈾資源是很有限的，且放射性物質(zhì)的后處理是個(gè)很棘手的問(wèn)題。能量獲取太陽(yáng)能原子能徹底解決能源問(wèn)題的希望寄托在受控?zé)岷朔磻?yīng)核聚變上。核聚變與太陽(yáng)發(fā)熱原理相同,兩個(gè)氫核聚變所放出的能量比原子間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)要大數(shù)百萬(wàn)倍，甚至比重核裂變釋放的能量還要高出好幾倍。熱核聚變熱核反應(yīng)的基本原料是氘和氚。聚變能源能量高：1千克氘的能量相當(dāng)于4千克鈾，或6600噸汽油，或約1萬(wàn)噸煤的能量；聚變能源是最經(jīng)濟(jì)的能源：1千克氘為幾萬(wàn)元，1萬(wàn)噸煤要數(shù)百萬(wàn)元，汽油更貴。聚變能源是最清潔

26、的能源：受控?zé)岷朔磻?yīng)后產(chǎn)生的惰性氣體氦對(duì)大氣沒(méi)有任何污染。聚變能源幾乎取之不盡、用之不竭：1升海水中有30毫克氘(相當(dāng)于燃燒300公升的汽油)，地球上約有1.371018m3海水，約有41013噸氘，可為地球提供百億年的能源。人類已實(shí)現(xiàn)熱核聚變反應(yīng)-氫彈的爆炸，通過(guò)原子彈點(diǎn)火，在火球中央產(chǎn)生幾百萬(wàn)度到一億度高溫，在火球還未擴(kuò)散的瞬間產(chǎn)生巨大壓力(相當(dāng)于2500億個(gè)大氣壓，核心區(qū)氣體被極度壓縮至水密度150倍)，使熱核燃料產(chǎn)生熱核反應(yīng)。但它是不可控的，無(wú)法和平利用。熱核聚變氫彈爆炸要使熱核反應(yīng)在某種裝置內(nèi)進(jìn)行，如此高溫的等離子體不可能用任何實(shí)際的固體容器來(lái)盛放。人們用磁場(chǎng)來(lái)約束等離子體，把等離子

27、體放在特殊的看不見(jiàn)的“磁瓶”里。磁場(chǎng)愈強(qiáng)，粒子的螺旋軌道愈緊緊地纏住磁力線，好像磁力線牢牢束縛著運(yùn)動(dòng)的帶電粒子。中國(guó)的受控?zé)岷搜b置（EAST）一個(gè)200兆瓦的受控?zé)岷朔磻?yīng)電站，儲(chǔ)能21011焦。這樣的磁場(chǎng)用常規(guī)磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)，磁體直徑可達(dá)數(shù)千米，生產(chǎn)的全部電能基本只夠維持系統(tǒng)的電力消耗，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電磁和機(jī)械應(yīng)力巨大。如果用超導(dǎo)磁體，磁體系統(tǒng)直徑僅為幾十米，而且磁體自身能耗極小。中國(guó)科學(xué)院合肥等離子體物理研究所超導(dǎo)托卡馬克(受控?zé)岷搜b置)HT-7巨大的電感線圈 1991年10月，日本原子能研究所和東芝公司利用鈮和錫的化合物超導(dǎo)材料，共同研制成核聚變堆用的新型超導(dǎo)線圈。該研究所把這個(gè)線圈大型化后提

28、供給國(guó)際熱核聚變堆使用，線圈電流密度達(dá)到40A/mm2，當(dāng)時(shí)處于世界最高水準(zhǔn)。超導(dǎo)托卡馬克的超導(dǎo)磁系統(tǒng)60超導(dǎo)材料在電機(jī)中的應(yīng)用可給電機(jī)帶來(lái)巨大變革：超導(dǎo)磁場(chǎng)繞組具有極大的載流能力，能產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)卻幾乎不存在勵(lì)磁損耗，電機(jī)機(jī)械損耗減少1/3，總損耗降低1/2，效率可達(dá)99.5。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑為常規(guī)發(fā)電機(jī)的0.8，長(zhǎng)度為0.4-0.6，整機(jī)重量為l/3-1/2。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)氣隙磁密由常規(guī)發(fā)電機(jī)的0.8T提高到4T-5T，極限容量可提高到107千瓦以上。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)能量運(yùn)輸導(dǎo)線電阻使一部分電能在輸送中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，存在?yán)重的電能損耗。輸送1000萬(wàn)千瓦的電力，損失相當(dāng)于一座100萬(wàn)千瓦發(fā)電站的發(fā)電量。

29、超導(dǎo)電纜具有零電阻特性，幾乎可無(wú)損耗地輸送電能。使用高溫超導(dǎo)電纜比常規(guī)電線的總成本低15。美國(guó)South wire 公司、橡樹(shù)嶺國(guó)家試驗(yàn)室、美國(guó)能源部等聯(lián)合開(kāi)發(fā)的三根1.25kA，12.6kV，30m 長(zhǎng)的高溫超導(dǎo)電纜已于2001 年在電網(wǎng)試運(yùn)行超導(dǎo)電纜2004年3月，云南昆明普吉變電站完成三相交流33.5米/35kV/2kA超導(dǎo)電纜系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝，掛網(wǎng)試運(yùn)行成功，標(biāo)志著繼美國(guó)、丹麥之后，我國(guó)成為世界上第三個(gè)將超導(dǎo)電纜投入電網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。電纜形式三相分相、交流電力電纜長(zhǎng)度33.5m（不包括終端）額定電壓35kV額定電流2000A本體導(dǎo)體交流損耗(不含終端)0.75W/kA.m at 77K本體

30、熱損耗(不含終端)1.5W/m終端電流頭運(yùn)行溫差70330K運(yùn)行海拔1900m電絕緣類型常溫絕緣交聯(lián)聚乙烯導(dǎo)體層數(shù)4冷卻方式液氮循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷能力2250W at 75K液氮進(jìn)口溫度7072K 液氮出口溫度7476 K電纜外徑112mm電纜彎曲最小直徑3.0m 已安裝調(diào)試的超導(dǎo)電纜系統(tǒng) 能量?jī)?chǔ)存電力的儲(chǔ)存比較困難，目前主要有三種方法：水泵水電儲(chǔ)存儲(chǔ)存大容量的高壓氣體利用大型蓄電池、電容器儲(chǔ)能超導(dǎo)環(huán)形封閉線圈中流過(guò)巨大的零電阻永久電流，可無(wú)損耗地儲(chǔ)存巨大的電能，理論測(cè)算回收電能效率可達(dá)90。超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置利用超導(dǎo)材料的完全抗磁性，可實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能，用富裕電能把多個(gè)巨型飛輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，變成動(dòng)能，需

31、要時(shí)則把飛輪動(dòng)能恢復(fù)為電能。常態(tài)下，由于支撐飛輪的軸承處以及飛輪和空氣之間存在摩擦，轉(zhuǎn)輪會(huì)逐漸失去它的動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為熱能。如果用超導(dǎo)材料制成軸承，利用抗磁性使飛輪懸浮在空中，不存在軸承摩擦；將飛輪密封于真空中，可克服空氣摩擦阻力，得到幾乎沒(méi)有損耗的儲(chǔ)能飛輪。超導(dǎo)材料在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用列車上安裝強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體，地上的軌道是優(yōu)質(zhì)的永磁體。當(dāng)車輛行進(jìn)在軌道上方時(shí)，車上的超導(dǎo)磁體排斥地上的永久磁體，兩者斥力將車子懸浮起來(lái)離開(kāi)軌道。車輛在電機(jī)牽引下無(wú)軌道摩擦地前進(jìn)，時(shí)速高達(dá)500公里。超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車日本進(jìn)行了載人超導(dǎo)磁懸浮列車的運(yùn)行試驗(yàn)，時(shí)速均達(dá)500千米/小時(shí)以上。實(shí)測(cè)表明，能耗只有880

32、千焦/千米，不到民航噴氣式飛機(jī)能耗的一半，而速度卻幾乎與飛機(jī)一樣快，也比飛機(jī)的載重量大，且更為安全。日本的磁懸浮列車我國(guó)于2001年研制成功常導(dǎo)磁懸浮客車。采用電磁吸力將車輛懸浮，與軌道間距離始終保持在8-10毫米之間；輪軌與車體之間沒(méi)有摩擦，車輛遠(yuǎn)行時(shí)具有平穩(wěn)舒適、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。上海浦東磁懸浮列車時(shí)速可達(dá)423km/h，是吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)證的“現(xiàn)今世界最快的陸上交通工具”。上海浦東的磁懸浮列車干凈舒適的車內(nèi)環(huán)境 上海磁懸浮是中國(guó)第一條投入運(yùn)行的磁懸浮鐵路，全長(zhǎng)29863公里，設(shè)計(jì)時(shí)速和運(yùn)行時(shí)速分別為505公里和430公里；由中國(guó)與德國(guó)合作，2002年12月31日，中國(guó)總理朱鎔基和德國(guó)總理施羅

33、德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會(huì)首次試運(yùn)行。當(dāng)時(shí)采用的是已通過(guò)安全認(rèn)證的比較簡(jiǎn)單的單線折返運(yùn)行方式。我國(guó)載人超導(dǎo)磁懸浮列車“世紀(jì)星號(hào)”也于2001年研究成功。世紀(jì)星號(hào)超導(dǎo)磁懸浮列車西南交通大學(xué)研制的超導(dǎo)磁懸浮列車在青城山運(yùn)行的磁懸浮列車上海浦東的磁懸浮列車2011年2月28日，中國(guó)首條中低速磁浮交通線在北京開(kāi)工，這是中國(guó)第一條擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的磁浮交通線和世界第二條中低速磁浮運(yùn)營(yíng)線。中科院電工所的檢測(cè)表明，直流磁場(chǎng)強(qiáng)度小于正?？措娨晻r(shí)對(duì)人體的影響，交流磁場(chǎng)強(qiáng)度小于使用電剃須刀時(shí)對(duì)人體的影響。 其它高速列車-無(wú)砟軌道列車“砟”是小塊的石頭。常規(guī)鐵路都在小塊石頭的基礎(chǔ)上，再鋪設(shè)枕木或混凝土軌枕，最

34、后鋪設(shè)鋼軌，這種線路不適于列車高速行駛。無(wú)砟軌枕本身是混凝土澆灌而成，路基也不用碎石，鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上。無(wú)砟軌道無(wú)砟軌道是當(dāng)今世界先進(jìn)的軌道技術(shù)，可減少維護(hù)、降低粉塵、美化環(huán)境，列車時(shí)速可達(dá)200公里以上?！俺晒喔哞F” (中西部鐵路建設(shè)中首次運(yùn)用無(wú)砟技術(shù))于2009年5月12日正式投入運(yùn)營(yíng)，時(shí)速可達(dá)218公里，從成都至青城山景區(qū)不超過(guò)40分鐘。建設(shè)中的京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵均采用無(wú)砟軌道技術(shù)。2010年9月28日，滬杭高鐵試運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)速高達(dá)416.6公里。無(wú)砟軌道和無(wú)縫鋼軌聯(lián)結(jié)，再加上新一代高速動(dòng)車組國(guó)產(chǎn)“和諧號(hào)” CRH380A，共同創(chuàng)造出

35、世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)最高時(shí)速記錄。滬杭高鐵2010年12月3日，在京滬高鐵棗莊至蚌埠間進(jìn)行的先導(dǎo)段聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)中，CRH380A高速動(dòng)車組最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)到486.1公里，這是繼9月28日滬杭高鐵試運(yùn)行創(chuàng)下時(shí)速416.6公里之后，中國(guó)高鐵再次刷新世界鐵路運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)最高速度。 京滬高鐵76西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在研制時(shí)速為600-1000公里的真空高速列車。真空管道高速交通是建造與外部空氣隔絕的管道，由于沒(méi)有空氣摩擦的阻礙，在其中運(yùn)行的列車將運(yùn)行至高速；管道是密封的，可在海底及氣候惡劣地區(qū)運(yùn)行，不受任何影響。 北京到廣州2300公里路程，地面交通工具2個(gè)半小時(shí)就可以到達(dá)。真空高速列車

36、真空高速列車真空管道磁懸浮列車是一種最低時(shí)速4000公里、能耗不到民航客機(jī)1/10、噪音、廢氣污染及事故率接近于零的新型交通工具。根據(jù)理論研究，真空磁懸浮列車最高時(shí)速可達(dá)22500公里/小時(shí)，華盛頓至北京僅需2小時(shí)。真空磁懸浮列車構(gòu)想圖1992年1月27日，由日本船舶和海洋基金會(huì)建造的第一艘超導(dǎo)船“大和”1號(hào)，在日本神戶下水試航。船上的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)。電流和磁場(chǎng)產(chǎn)生洛倫茲力，將大量海水推進(jìn)，通過(guò)反作用力，水流將船只推進(jìn)；改變磁場(chǎng)方向，船只運(yùn)動(dòng)方向也可改變。超導(dǎo)船推進(jìn)機(jī)構(gòu)不是螺旋槳，效率可達(dá)90%，理論時(shí)速最高可達(dá)180km/h。目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段，但這種船舶有可能引發(fā)船舶工業(yè)爆發(fā)一次革

37、命，就像當(dāng)年富爾頓發(fā)明輪船取代帆船那樣。超導(dǎo)船“大和”1號(hào)超導(dǎo)船超導(dǎo)材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用原子核自旋使自身具有磁矩,在外加交變磁場(chǎng)作用下，原子核的磁矩平行于磁場(chǎng)方向排列。在高頻磁場(chǎng)作用下，原子核具有特定頻率，兩者發(fā)生共振現(xiàn)象，原子核劇烈吸收外加交變磁場(chǎng)能量，這種現(xiàn)象稱為核磁共振。人們可以弄清在物質(zhì)內(nèi)部有無(wú)某種原子核存在、數(shù)量以及位置。核磁共振人頭顱核磁共振成像目前檢測(cè)主要對(duì)象是氫原子核。氫是構(gòu)成水的元素，而人體中的水占70，只要人體稍有異常就能夠查出。癌細(xì)胞與正常細(xì)胞的共振方式不同，表現(xiàn)為癌細(xì)胞中氫原子核的弛豫時(shí)間比正常細(xì)胞要長(zhǎng)一些。因此，通過(guò)NMR可以準(zhǔn)確判定癌細(xì)胞是否存在。核磁共振儀正常磁

38、體的中心磁場(chǎng)只有0.3T的數(shù)量級(jí)，僅能與氫原子核產(chǎn)生共振。超導(dǎo)磁體的中心磁場(chǎng)很容易達(dá)到1.5-2T，氫原子核共振情況更易測(cè)定，得到的圖像更清晰，提高診斷的可靠性。除氫共振外，還可獲得P、Na等元素的共振信號(hào)，提高核磁共振成像的使用價(jià)值。核磁共振儀生物磁源成像神經(jīng)細(xì)胞、心臟、腦、肺等具有非常微弱的磁性。如果能將這樣微弱的磁性測(cè)量出來(lái)，就可以把磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況測(cè)量出來(lái)，組織的活動(dòng)情況也就能測(cè)量出來(lái)。人們把這樣測(cè)出的某個(gè)生物組織的磁場(chǎng)圖像叫生物磁源成像。生物磁信號(hào)極其微弱，約10-10T-10-12T。用超導(dǎo)量子干涉現(xiàn)象所制成的磁強(qiáng)計(jì)SQUID，可探測(cè)10-15T的磁場(chǎng)變化。SQUID可測(cè)定生命體的磁

39、搏動(dòng)；檢測(cè)人體受到刺激后大腦活動(dòng)發(fā)出的微弱磁性，檢測(cè)出大腦如何做出反應(yīng)，形成腦磁圖。此外，還可進(jìn)行心磁、肺磁，肌磁、眼磁及血液磁化率等的研究。無(wú)接觸測(cè)量，沒(méi)有人體狀況等的影響，結(jié)果十分準(zhǔn)確。超導(dǎo)量子干涉儀腦磁研究應(yīng)用于治療精神分裂、腦創(chuàng)傷、手術(shù)前的神經(jīng)功能定位以及一些其他特殊疾病。心磁測(cè)量能比較可靠地診斷心血管疾病的早期征兆，提供心臟病情的程度。心磁圖儀腦磁圖儀人的大腦、神經(jīng)系統(tǒng)與眼、耳這些感覺(jué)器官之間的相互作用，還有許多未解之謎。若能制造出更高水平的SQUID裝置，就能追蹤微妙的大腦活動(dòng)，察覺(jué)大腦的思考程序，得知人的思維，制造出真正意義上的智力機(jī)器人。人的腦磁圖超導(dǎo)材料在國(guó)防軍事中的應(yīng)用激光

40、武器需要瞬間提供數(shù)十億到百億焦耳的能量。超導(dǎo)閉合線圈是理想的儲(chǔ)能裝置，電流密度可達(dá)104A/cm2以上，可在瞬間提供巨大能量。超導(dǎo)線圈重量輕、體積小、功率放大倍數(shù)高，可在持久電流狀態(tài)下工作，使武器長(zhǎng)期處于戒備狀態(tài)。超導(dǎo)激光武器美國(guó)和以色列研制的激光武器超導(dǎo)電磁炮常規(guī)火炮的彈丸初速受到各種因素的限制。澳大利亞科學(xué)家從實(shí)驗(yàn)上證明用電磁力可把較重的彈丸推進(jìn)到高速的可能性。利用超導(dǎo)體十分容易地將這種可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，制造出威力巨大的電磁炮。電磁炮原理圖美軍研制的電磁炮示意圖電磁炮中的貯電裝置采用液氦冷卻的超導(dǎo)金屬，可以無(wú)限貯存電能，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制就能使積存的電能驅(qū)動(dòng)炮，高速射出彈頭。相比常規(guī)火炮，電磁炮的電

41、磁推力比一般火藥推力大一個(gè)數(shù)量級(jí)，視彈丸質(zhì)量大小可將其加速到每秒幾千米到幾十千米。美海軍電磁炮發(fā)射瞬間，這門電磁炮以1068萬(wàn)焦耳的能量發(fā)射了一枚鋁彈，鋁彈以7馬赫的速度飛出電磁炮的軌道，飛行4分鐘后擊中目標(biāo)。 2010年12月，美海軍宣布成功試射電磁炮，炮彈速度達(dá)到5倍音速，射程達(dá)到110海里，這意味著美國(guó)原理樣炮的試驗(yàn)已經(jīng)接近完成，下一步即將進(jìn)入工程樣炮的研制階段。美軍電磁炮試射現(xiàn)場(chǎng)陸軍：電磁炮可用作自行火炮。即使為避免大氣燒蝕，彈丸用4km/s的速度，也是常規(guī)火炮的2-3倍。若用電磁炮把穿甲彈的速度提高到3km/s，則坦克的進(jìn)攻能力將提高4倍。電磁炮是對(duì)付坦克裝甲的有效手段。發(fā)射質(zhì)量為5

42、0克、速度3km/s的炮彈，可穿透25.4mm厚的裝甲。陸戰(zhàn)坦克89式120mm自行反坦克炮海軍：小口徑速射火炮很難對(duì)付新一代的超聲速反艦導(dǎo)彈的攻擊。用高射速電磁炮進(jìn)行防空和攔截導(dǎo)彈，可極大增加防衛(wèi)半徑和殺傷概率。美軍認(rèn)為可用電磁炮代替高射武器和防空導(dǎo)彈遂行防空任務(wù)。美國(guó)正在研制發(fā)射速度為500發(fā)/分、射程達(dá)幾十千米的電磁炮，準(zhǔn)備替代艦上的“火神方陣防空系統(tǒng)”用它不僅能打擊臨空的各種飛機(jī)，還能在遠(yuǎn)距離攔截空對(duì)艦導(dǎo)彈。反艦導(dǎo)彈空軍：采用電磁發(fā)射裝置，可形成一種全新的野戰(zhàn)機(jī)場(chǎng)和短程起降方式。此外，小體積的電磁炮完全可作為機(jī)載武器使用。戰(zhàn)略防御：作為攔截中程、潛射和洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈的武器，超導(dǎo)電磁炮能發(fā)

43、揮更大的威力。同時(shí)，它還可用來(lái)攻擊敵方的衛(wèi)星和空間站。戰(zhàn)略導(dǎo)彈的發(fā)射機(jī)載武器超導(dǎo)艦艇螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生渦旋，軍艦難以實(shí)現(xiàn)高速航行；同時(shí)，電動(dòng)機(jī)、螺旋槳等旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，容易被發(fā)現(xiàn)；高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件受到軸承摩擦限制，轉(zhuǎn)速無(wú)法進(jìn)一步提高。利用超導(dǎo)強(qiáng)磁性可設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)的無(wú)摩擦超導(dǎo)軸承，大幅提高部件轉(zhuǎn)速，使軍艦實(shí)現(xiàn)高速化。高速軍艦核潛艇SQUID還可用來(lái)測(cè)定地下未爆炸的軍用物品或有害廢棄物，尋找地下的或水下的隱蔽軍事設(shè)施。這些目標(biāo)可能深埋于地(水)下，但卻都能在地上顯示出磁異常。美國(guó)海軍已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可以移動(dòng)的高溫超導(dǎo)重力儀來(lái)探測(cè)某些目標(biāo)。僅在美國(guó)，就已查出大約900個(gè)陸下的和海中廢棄的作戰(zhàn)裝置。超導(dǎo)偵察超導(dǎo)材料在其它方面