大學(xué)物理：第二章超導(dǎo)技術(shù)

超導(dǎo)技術(shù)1某些物質(zhì)在一定溫度下呈現(xiàn)出零電阻和完全抗磁性等性質(zhì)，

這些物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。超導(dǎo)體具有特殊的電、熱、磁等性質(zhì)，

因而具有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值。自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象以來，許多科學(xué)家在超導(dǎo)物理現(xiàn)象、

理論、材料及技術(shù)應(yīng)用等方面作了大量工作，取得了可喜的成績。20世紀(jì)80年代，雖然所發(fā)現(xiàn)的低溫超導(dǎo)材料的臨界溫度最高只有23.2K，

主要在液氦溫區(qū)工作，但在醫(yī)學(xué)上使用的核磁共振成像儀已達(dá)到廣泛應(yīng)用的水平?！?由于超導(dǎo)材料的進(jìn)步，不論是低溫超導(dǎo)還是高溫超導(dǎo)，

將進(jìn)入逐步發(fā)展應(yīng)用技術(shù)的新階段。☆3一

超導(dǎo)態(tài)的主要特性超導(dǎo)的兩個(gè)主要特征是零電阻特性和完全抗磁性，以及有關(guān)的臨界磁場、臨界電流和臨界溫度等特性。1．零電阻特性1911年，荷蘭萊登大學(xué)卡末林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)汞金屬在4.15K溫度時(shí)電阻急劇下降為零，這一偉大的發(fā)現(xiàn)

揭開了超導(dǎo)物理研究的序幕。當(dāng)汞溫度降到某一值時(shí)，

汞的電阻消失，電流穩(wěn)定流動(dòng)而不衰減。這種低溫下電阻消失的現(xiàn)象稱為零電阻特性。☆4許多其他金屬（如：錫在3.8K時(shí)）也會(huì)出現(xiàn)零電阻現(xiàn)象。這種電阻為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。昂內(nèi)斯確認(rèn)，在低溫下金屬材料進(jìn)入電阻為零的狀態(tài)

是金屬的新物態(tài)，定義為“超導(dǎo)態(tài)”。當(dāng)溫度升高，金屬材料又恢復(fù)電阻，由超導(dǎo)態(tài)回到正常態(tài)。相變：由一種物態(tài)到另一種物態(tài)☆5超導(dǎo)的零電阻特性可通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。柯林斯將一個(gè)鉛環(huán)放在磁場中且環(huán)平面與磁場垂直，通過降溫的方法使環(huán)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。突然撒去磁場，由于電磁感應(yīng)，超導(dǎo)環(huán)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流。環(huán)內(nèi)的電流衰減越緩慢，此環(huán)的電阻就越?。?/p>

若電流不發(fā)生變化，表明電阻為零?？铝炙故广U環(huán)中的超導(dǎo)電流持續(xù)了兩年半的時(shí)間，

且并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的衰減。☆6超導(dǎo)狀態(tài)的零電阻特性可以表述為

電阻率為零、電導(dǎo)率為無限大，，

☆72．完全抗磁性—邁斯納效應(yīng)超導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后，人們一直把超導(dǎo)體看做除零電阻之外，

其他一切性質(zhì)與普通金屬相同的所謂理想導(dǎo)體。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納發(fā)現(xiàn)：這種完全抗磁性被稱為邁斯納效應(yīng)☆8☆9這證明進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，超導(dǎo)體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度總是零，

體內(nèi)的磁通量將全部被排除體外。☆10邁斯納實(shí)驗(yàn)表明，不論是先降溫后加磁場，

還是先加磁場后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外，與初始條件和過程無關(guān)?！?1超導(dǎo)體的完全抗磁性是獨(dú)立于零電阻特性的，不能由超導(dǎo)體的零電阻特性得到完全抗磁性。超導(dǎo)態(tài)的完全抗磁性是獨(dú)立于零電阻效應(yīng)的又一超導(dǎo)特性超導(dǎo)體和理想導(dǎo)體之間的異同：共同之處是都具有零電阻，不同之處是理想導(dǎo)體內(nèi)可以有磁力線，

而超導(dǎo)體則將其中的一切磁力線完全排斥在外。注意：超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)內(nèi)部的磁場為零，并不是說磁場在超導(dǎo)體的幾何表面突然降到零，它是通過表面薄層逐漸減弱的，也就是磁力線能夠進(jìn)入超導(dǎo)體的表面薄層，進(jìn)入的深度與超導(dǎo)體自身性質(zhì)有關(guān)。12☆邁斯納效應(yīng)可以通過實(shí)驗(yàn)來演示磁懸浮實(shí)驗(yàn)因?yàn)橛谰么盆F的磁力線

被完全排斥在超導(dǎo)圓盤外，在磁鐵和圓盤之間存在斥力。磁鐵越遠(yuǎn)離超導(dǎo)圓盤，

斥力越小，當(dāng)斥力減弱到等于磁鐵的重力時(shí)，

就懸浮不動(dòng)了?？捎靡煌ㄓ谐掷m(xù)電流的超導(dǎo)環(huán)將一個(gè)中空超導(dǎo)球懸浮起來，根據(jù)這一原理可制成超導(dǎo)重力儀，如果重力發(fā)生微小變化，球就要偏離平衡位置，這樣，就可以在其他相關(guān)技術(shù)的協(xié)助下精確地檢測出重力的變化。利用磁懸浮技術(shù)還可制造無摩擦軸承、超導(dǎo)羅盤及磁懸浮列車等。磁懸浮實(shí)驗(yàn)13☆3.臨界溫度實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)體發(fā)生從正常態(tài)到超導(dǎo)態(tài)相變時(shí)，

電阻消失是在一定溫度間隔中完成的14☆超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度與超導(dǎo)材料的純度

及均勻性有關(guān)臨界溫度是

表征超導(dǎo)材料應(yīng)用的

三個(gè)主要特征量之一15☆4.臨界磁場1914年，昂納斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)可以被外加磁場破壞。這是因?yàn)楫?dāng)存在外界磁場時(shí)，

超導(dǎo)表面要形成表面電流以產(chǎn)生退磁場，使內(nèi)部磁場為零。可以想象，外界磁場越強(qiáng)，

要求的這種表面電流就越大。但是，表面電流過大將破壞超導(dǎo)性，

使其變成正常態(tài)。因此，在保持樣品的超導(dǎo)狀態(tài)下，

外加磁場有一個(gè)最大值限度

（又稱破壞超導(dǎo)態(tài)的最小值），16☆臨界磁場也是一個(gè)物質(zhì)常數(shù)，其大小因超導(dǎo)體的材質(zhì)不同而不同。臨界磁場也是表征超導(dǎo)材料應(yīng)用

的三個(gè)主要特征量之一。17☆5.臨界電流超導(dǎo)體無阻載流的能力也是有限的這是由于超導(dǎo)體承載電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場，

當(dāng)這一磁場達(dá)到超導(dǎo)體的臨界磁場時(shí)，超導(dǎo)電性被破壞。臨界電流也是表征超導(dǎo)材料應(yīng)用的三個(gè)主要特征量之一18☆6.比熱容躍變熱力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)表明，

超導(dǎo)體的超導(dǎo)態(tài)與正常態(tài)的比熱容不一樣19☆相變進(jìn)一步的理論分析表明，

超導(dǎo)態(tài)的比熱容是隨溫度的降低而減小的對超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)

比熱容的實(shí)驗(yàn)測量，

基本證實(shí)了這一熱力學(xué)分析的結(jié)果。20☆二

金屬低溫超導(dǎo)理論1934年，戈特和卡西米爾在熱力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，

根據(jù)一些主要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了解釋超導(dǎo)體電磁性質(zhì)的二流體模型，

成功地解釋了低溫超導(dǎo)現(xiàn)象。1935年，倫敦兄弟在二流體模型的基礎(chǔ)上，建立了超導(dǎo)態(tài)的電磁理論，即倫敦方程。不僅給預(yù)零電阻和邁斯納效應(yīng)統(tǒng)一的合理解釋，還成功地預(yù)言了磁場穿透現(xiàn)象。倫敦還提出了超導(dǎo)是一種宏觀尺度的量子現(xiàn)象的著名論斷。1957年，巴丁、庫柏和施里弗三人在實(shí)驗(yàn)和電-聲相互作用理論基礎(chǔ)上提出了超導(dǎo)微觀理論，

這就是著名的BCS理論，他們?yōu)榇双@得了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。21☆1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以表彰他們合作發(fā)展了通常稱為BCS理論的超導(dǎo)電性理論22☆1．二流體模型二流體模型的重要依據(jù)之一是：

當(dāng)金屬從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，金屬電子比熱

出現(xiàn)跳躍式的增大。金屬的電子比熱與晶格點(diǎn)陣和電子有關(guān)，

而金屬由正常態(tài)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)沒有變化，所以可推測此時(shí)超導(dǎo)體的自由電子發(fā)生了某種本質(zhì)變化。

在金屬向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，金屬內(nèi)的自由電子氣可能發(fā)生了異乎尋常的變化。23☆二流體模型認(rèn)為，一旦金屬變?yōu)槌瑢?dǎo)體后，金屬中原有的自由電子氣就開始有一部分“凝聚”到超導(dǎo)電子態(tài)，

自由電子氣與氣體相似，它在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到阻力。而處于超導(dǎo)電子態(tài)的那部分電子在晶格點(diǎn)陣中運(yùn)行完全自由，暢通無阻。24☆（1）金屬發(fā)生超導(dǎo)轉(zhuǎn)變后，

金屬中原有的自由電子（稱為正常電子）中有一部分“凝聚”成為性質(zhì)非常不同的超導(dǎo)電子。（2）超導(dǎo)電子在物性上與正常態(tài)電子有本質(zhì)的不同。正常電子運(yùn)動(dòng)受晶格散射，產(chǎn)生電阻；超導(dǎo)電子流是超導(dǎo)電子集體有序地運(yùn)動(dòng)，

不受晶格作用，電阻為零。（3）超導(dǎo)電子數(shù)與溫度有關(guān)25☆溫度降低，正常電子“凝聚”為超導(dǎo)電子

是一種從無序到有序的轉(zhuǎn)變過程。二流體模型僅僅是個(gè)唯象模型，

雖然能解釋一些超導(dǎo)現(xiàn)象，但并不能從根本上解決問題。26☆2.麥克斯韋方程19世紀(jì)下半葉，

麥克斯韋建立了完整的電磁理論。

給出了均勻介質(zhì)中，電場和磁場所滿足的微分方程和物質(zhì)方程麥克斯韋方程組構(gòu)成了經(jīng)典電磁理論的基本框架。

若邊界條件和初始條件給定，原則上可以唯一確定任一時(shí)刻和任意空間點(diǎn)的電磁場。他提出電磁場是以波的形式傳播的，并且斷言光就是電磁波。

1887年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一理論的正確性。27☆3.倫敦方程1935年倫敦兄弟在二流體模型的基礎(chǔ)上，

通過對電動(dòng)力學(xué)方程的修正，

建立了兩個(gè)很重要的方程—倫敦第一、二方程，利用這兩個(gè)方程及其他相關(guān)的電磁理論

可以解釋超導(dǎo)的零電阻特性和邁斯納效應(yīng)。倫敦第一方程倫敦第一方程，

說明了超導(dǎo)電流的時(shí)間變化率由電場決定28☆29☆倫敦第二方程，

說明了超導(dǎo)電流的空間變化率由磁場決定。30☆代入倫敦第二方程可得31☆以一維問題為例32☆由于穿透層很薄，對一般宏觀樣品，

可將穿透層略去，總體上講超導(dǎo)體內(nèi)部磁場為零。33☆唯象理論雖能解釋一些超導(dǎo)現(xiàn)象，

但它僅僅是認(rèn)識(shí)超導(dǎo)電性的第一步，要從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)超導(dǎo)電性，還得借助于量子理論。34☆35

大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院詹衛(wèi)伸362.BCS理論（1）電-聲相互作用和庫柏對1956年庫柏提出：在某種吸引力作用之下，

金屬中兩個(gè)電子能組成電子對，就像兩個(gè)原子組成一個(gè)分子一樣，被稱為庫柏對。37☆電子e1在晶格中運(yùn)動(dòng)，由于電子e1帶負(fù)電，則帶負(fù)電的電子會(huì)吸引正離子使之偏離平衡位置，在它運(yùn)動(dòng)的過程中將把正離子吸向它自己，從而引起晶格向它聚攏的微小畸變，這就造成局部正電荷集中，當(dāng)電子e1快速離開該正電區(qū)域后，晶格由于慣性還來不及恢復(fù)，此時(shí)，該正電區(qū)域?qū)﹄娮觘1和附近電子e2就會(huì)產(chǎn)生吸引。如果撇開晶格作用不看，則兩電子之間就表現(xiàn)出吸引力，這就是瞬間電子與電子產(chǎn)生吸引的物理圖景。38☆（2）BCS理論金屬處于正常態(tài)時(shí)，

其內(nèi)部的自由電子都處在連續(xù)能級的各個(gè)狀態(tài)，不會(huì)形成庫柏對；金屬處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，費(fèi)米面附近的電子兩兩成對結(jié)合成庫柏對。由量子力學(xué)的觀點(diǎn)可知，在沒有電流的基態(tài)，超導(dǎo)金屬中庫柏對中兩個(gè)電子的動(dòng)量完全相反。有電流時(shí)，所有電子對都有共同的動(dòng)量，其方向與電流方向相反，因而能傳送電荷，形成超導(dǎo)電流。庫柏對在晶格中作無阻力運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)閹彀貙κ艿骄Ц裆⑸鋾r(shí)

兩個(gè)電子發(fā)生相反的動(dòng)量變化，所以不產(chǎn)生電阻，這就解釋了零電阻效應(yīng)。39☆三

高溫超導(dǎo)1.高溫超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)2.高溫超導(dǎo)材料的物理特性4.高溫超導(dǎo)材料的制備自學(xué)40☆3.超導(dǎo)新星—摻雜C60

1991年，在高溫氧化物超導(dǎo)材料研究的熱潮中，又發(fā)現(xiàn)了一類嶄新的

有機(jī)化合物超導(dǎo)體—摻雜C60，具有相對較高的轉(zhuǎn)變溫度

及許多良好的超導(dǎo)性質(zhì)，引起了人們的關(guān)注。C60是自然界中碳的第三種同素異形體。C60分子是60個(gè)C原子組成的一個(gè)空心球，由12個(gè)五邊形和20個(gè)六邊形圍繞成32面體，

形狀很像足球，稱為巴基球（Buckyball）

或足球烯（Footballene）、富勒烯（Fullerence），具有很多特性。41☆C60超導(dǎo)體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、彈性強(qiáng)、抗化學(xué)腐蝕、表面光滑、

臨界電流大、臨界磁場高等特點(diǎn)，

而且C60薄膜易于在襯底上生長。這些特點(diǎn)決定了C60超導(dǎo)體最有可能實(shí)用化。同時(shí)，有人預(yù)言巨型C240、C540等如果合成成功，將能成為室溫超導(dǎo)體。1991年以前，高純度的C60價(jià)格驚人。自從發(fā)現(xiàn)C60摻雜的超導(dǎo)性后，高純度C60的需求大增，觸發(fā)了改進(jìn)制備方法、降低成本的研究。現(xiàn)已有許多制備方法，如：電弧法、火焰法、激光蒸發(fā)等，已能批量生產(chǎn)高純C60，使“巴基球”以較低廉的價(jià)格進(jìn)入市場。42☆43四

約瑟夫遜效應(yīng)ISS約瑟夫遜效應(yīng)是關(guān)于超導(dǎo)電子對（即庫珀對）

通過超導(dǎo)結(jié)的量子隧道效應(yīng)。超導(dǎo)結(jié)（又叫約瑟夫遜結(jié)）是指在兩塊超導(dǎo)體中間夾著一層很薄的（厚度約幾納米）絕緣層，從而組成一個(gè)超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體的三層結(jié)構(gòu)，亦稱SIS結(jié)☆44按照經(jīng)典物理理論，

兩種超導(dǎo)體之間的絕緣層是不可能有電子通過的。因?yàn)槌瑢?dǎo)結(jié)對電子的運(yùn)動(dòng)形成了一個(gè)很高的“勢壘”，電子的能量不足以使它越過這個(gè)勢壘。因此，即使在絕緣層兩邊加上電壓，也不會(huì)有宏觀電流通過。但量子力學(xué)指出，由于微觀粒子波動(dòng)性的緣故，即使能量低于勢壘高度的粒子也有一定幾率透過勢壘，這就是隧道效應(yīng)。電子透過勢壘的幾率隨勢壘寬度的減小而增大。ISS☆451962年約瑟夫森指出：當(dāng)SIS結(jié)的絕緣層只有1nm左右時(shí)，在SIS結(jié)中除了由正常電子產(chǎn)生的隧道電流（單個(gè)電子）外，還會(huì)有由庫柏電子對產(chǎn)生的隧道電流，這種由庫柏對產(chǎn)生的隧道電流稱為約瑟夫森隧道電流，庫柏電子對的隧道效應(yīng)就稱為約瑟夫森效應(yīng)。根據(jù)量子力學(xué)和BCS超導(dǎo)理論，

約瑟夫森得到庫柏對產(chǎn)生的隧道電流所滿足的方程為☆江崎玲于奈（LeoEsaki,1925-）和加埃沃（IvarGiaever,1929-）因分別發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和超導(dǎo)體中的隧道貫穿、約瑟夫森（BrianDavidJosephson,1940-）因從理論上預(yù)言了通過隧道阻擋層的超電流的性質(zhì)，特別是被稱為“約瑟夫森效應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，共同分享了1973年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。LeoEsakiGiaeverJosephson☆47這表明有直流電流通過SIS結(jié)，

這一現(xiàn)象稱為直流約瑟夫森效應(yīng)直流約瑟夫森效應(yīng)表明，當(dāng)通過超導(dǎo)結(jié)的電流很?。ㄒ话闶菐资驳綆资涟玻r(shí)，宏觀電流呈現(xiàn)無阻流動(dòng)，絕緣層兩端不產(chǎn)生電壓，

超導(dǎo)結(jié)的絕緣層也具有超導(dǎo)電性?！?8ISS這實(shí)質(zhì)上是通過超導(dǎo)結(jié)的電流超過臨界電流，

超導(dǎo)結(jié)的超導(dǎo)電性被破壞，電流呈有阻流動(dòng)，

即結(jié)區(qū)兩端出現(xiàn)了電壓，這個(gè)電流是由于單個(gè)電子（正常）的隧道效應(yīng)形成的?！?9ISS交變電流的頻率為☆50頻率如此高，必然有明顯地電磁波輻射。這就是說，在超導(dǎo)結(jié)兩端加上電壓以后，

就如同一根輻射天線一樣，會(huì)向外發(fā)射電磁波。ISS☆51五

超導(dǎo)電技術(shù)的應(yīng)用超導(dǎo)材料廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，使超導(dǎo)電性自發(fā)現(xiàn)以來一直是

很具吸引力的研究課題和探索目標(biāo)。超導(dǎo)體由于具有零電阻、

完全抗磁性和超導(dǎo)隧道效應(yīng)等優(yōu)異特性，在科學(xué)研究和工程技術(shù)上取得很多的應(yīng)用成果。電力工程電子技術(shù)交通運(yùn)輸能源工程生物醫(yī)學(xué)航空航天地質(zhì)地震天文觀測基礎(chǔ)理論超導(dǎo)磁流體推進(jìn)1.超導(dǎo)強(qiáng)磁體2.超導(dǎo)輸電

和超導(dǎo)儲(chǔ)能3.超導(dǎo)磁懸浮裝置

和電磁推進(jìn)器4.超導(dǎo)電子器件

☆521.超導(dǎo)強(qiáng)磁體超導(dǎo)磁體是繼永久磁鐵和電磁鐵（統(tǒng)稱常規(guī)磁體）之后發(fā)展起來的

第三代磁體，與常規(guī)磁體比較，它具有許多優(yōu)越性。首先，能獲得極強(qiáng)的磁場。永久磁鐵磁極附近磁場都小于0.1T，傳統(tǒng)的電磁鐵盡管理論上可以通過增加電流來獲得任意強(qiáng)度的磁場，但實(shí)際上由于銅線電阻和鐵芯的磁滯現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生能量損耗而發(fā)熱，要獲得10T以上的磁場是十分困難的。而超導(dǎo)磁體就沒有這些限制，十幾特斯拉的超導(dǎo)磁體是很平常的。其次，體積小，質(zhì)量小。由于超導(dǎo)體具有很高的電流密度，

超導(dǎo)線容許的電流密度（為臨界磁場所限，如109A/m2）

比普通銅線容許的電流密度（為發(fā)熱熔化所限，如102A/m2）大得多，所以超導(dǎo)線可細(xì)得多，且勿需龐大的冷卻設(shè)備，

因而超導(dǎo)磁體可做得很輕便。一個(gè)5T的中型傳統(tǒng)電磁鐵質(zhì)量達(dá)20t，而超導(dǎo)磁體不過幾公斤，

即使加上低溫致冷設(shè)備，也有上百倍的質(zhì)量差別。另外，超導(dǎo)磁體節(jié)能、穩(wěn)定性好、均勻度高，也是常規(guī)磁體無法相比的?！?3在高能物理中，如大型粒子加速器、汽泡室等

都需要強(qiáng)度高、范圍大的強(qiáng)磁場。帶電粒子加速原理：

帶電粒子在交變電流和強(qiáng)磁場的作用下，逐漸得到加速中國自80年代以來，陸續(xù)建設(shè)了四大高能物理研究裝置（粒子加速器）：北京正負(fù)電子對撞機(jī)、蘭州重離子加速器、合肥同步輻射裝置，

以及花費(fèi)14億元之巨興建的大科學(xué)裝置（上海同步輻射光源）。粒子加速器加速原理粒子加速器☆54核磁共振波譜儀可用超導(dǎo)磁體作其關(guān)鍵部件，

以提供高穩(wěn)定性的磁場。核磁共振波譜儀原理原子核除具有電荷和質(zhì)量外，

約有半數(shù)以上的元素的原子核還有自旋。由于原子核是帶正電荷的粒子，它自旋就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小磁場。具有自旋的原子核處于一個(gè)

均勻的固定磁場中，它們就會(huì)發(fā)生相互作用，結(jié)果會(huì)使原子核的自旋軸沿

磁場中的環(huán)形軌道運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)稱為進(jìn)動(dòng)?！?5☆56核磁共振波譜儀是利用核磁共振的原理進(jìn)行測量的。對經(jīng)光源激發(fā)后產(chǎn)生熒光的物質(zhì)或經(jīng)化學(xué)處理后產(chǎn)生熒光的物質(zhì)成份分析，可應(yīng)用于生物化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等。主要用途：可進(jìn)行1H、13C等常規(guī)測量，并可檢測31P，15N，29Sz等；可進(jìn)行各類如DEPT、HSQC、馳豫測量；可進(jìn)行活性肽，多肽類蛋白的溶液結(jié)構(gòu)研究；可進(jìn)行化合物的結(jié)構(gòu)、組分的鑒定?！?7超導(dǎo)核磁共振斷層成像（醫(yī)用）裝置（MRI-CT）利用核磁共振原理探測人體組織狀態(tài)并成像

供醫(yī)學(xué)專家檢查判斷的醫(yī)療儀器，在醫(yī)療機(jī)構(gòu)得到廣泛應(yīng)用。原理：將人體置于超導(dǎo)強(qiáng)磁場中，人體中水或其他分子的氫核相對于磁場取向排列，輸入高頻脈沖波，使氫核處于共振狀態(tài)，脈沖消失后，氫核又重新返回初始狀態(tài)并釋放能量，這一能量被探測器接收并形成圖像，連續(xù)改變磁場大小就能得到描繪人體組織狀態(tài)的斷面圖?！?8磁流體發(fā)電和受控?zé)岷朔磻?yīng)中可用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場磁流體發(fā)電機(jī)的原理：霍爾效應(yīng)用燃料直接加熱氣體或液體成易于電離的氣體，使之在2000℃的高溫下電離成導(dǎo)電的離子流，高溫氣體（等離子體）通過兩平行的電極之間，磁流體發(fā)電原理：霍爾效應(yīng)兩極板之間加上很強(qiáng)的磁場，當(dāng)正負(fù)離子經(jīng)過這個(gè)磁場時(shí)，正負(fù)離子因受到洛倫茲力作用

分別向兩極板偏轉(zhuǎn)，從而在兩極板之間產(chǎn)生電壓。磁流體發(fā)電是直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能的，

由于無需經(jīng)過機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，

所以稱之為“直接發(fā)電”，這種技術(shù)也稱為“等離子體發(fā)電技術(shù)”。☆59磁流體發(fā)電的關(guān)鍵是強(qiáng)磁場的獲得，用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場可以使熱效率達(dá)到55%左右。磁流體發(fā)電也是一種高效發(fā)電方式，

隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷突破，為大容量、小型化磁流體發(fā)電機(jī)的研制提供了條件。磁流體發(fā)電機(jī)實(shí)用化后，飛機(jī)可用它作能源，為空中指揮所和

預(yù)警飛機(jī)的大型雷達(dá)、大型計(jì)算機(jī)、各種通信設(shè)備等耗電裝備提供動(dòng)力?！?0熱核反應(yīng)過程中放出大量核能，這是太陽、恒星和氫彈的能量來源。受控?zé)岷朔磻?yīng)在可控制的條件下進(jìn)行，反應(yīng)過程不象氫彈那樣猛烈，釋放出來的能量可以轉(zhuǎn)換為電能。海水中含有大量的氘（氫的同位素），可作為熱核反應(yīng)的燃料，如果受控?zé)岷朔磻?yīng)一旦實(shí)現(xiàn)，將使人類獲得一種幾乎取之不盡的能源。磁約束核聚變受控?zé)岷朔磻?yīng)應(yīng)該解決的主要問題之一是

如何將高溫等離子體物質(zhì)約束在一起。在洛倫茲力作用下，將運(yùn)動(dòng)的高溫帶電粒子

（等離子體）

約束在磁場內(nèi)，進(jìn)行熱核反應(yīng)。磁約束是一種可行的辦法：☆61中國科學(xué)院等離子體研究所（合肥）成功研制出“HT-7U全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克裝置”，使我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)擁有這種類型超導(dǎo)托卡馬克裝置的國家，也使我國磁約束核聚變研究進(jìn)入世界前沿。☆62超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)激磁線圈被裝在一不銹鋼杜瓦瓶內(nèi)，在杜瓦瓶外面還有一層電介質(zhì)，它不但可起到隔熱作用，而且可防止電樞線圈產(chǎn)生的高頻電磁場反作用于激磁線圈?！?3如果用超導(dǎo)材料代替銅作為變壓器的繞組，變壓器的重量會(huì)大大減輕，噪聲也變小，更不用擔(dān)心有火災(zāi)發(fā)生，即使發(fā)生泄漏，液態(tài)氮蒸發(fā)到空氣中也不會(huì)污染環(huán)境，更重要的是減少了損耗，而且具有一定的限制故障電流的作用。超導(dǎo)變壓器☆642.超導(dǎo)輸電和超導(dǎo)儲(chǔ)能為了減少大功率長距離輸電過程中電能耗損，人們不得不向超高壓方向發(fā)展，如日本已采用500kV，歐美采用了750kV等。但這樣以來，由于電壓太高，介質(zhì)的損耗將大幅度增加，結(jié)果使輸電效率更為下降。一些超導(dǎo)體的無阻載流能力很高，是正常導(dǎo)體望塵莫及的。

只要電流密度不超過臨界電流密度，用直流超導(dǎo)電纜輸電就可以做到完全沒有焦耳熱的損耗。超導(dǎo)輸電超導(dǎo)電攬☆65超導(dǎo)儲(chǔ)能利用超導(dǎo)線圈中的持久電流可以磁場形式儲(chǔ)存能量：電池儲(chǔ)存能量電容器中電場儲(chǔ)能用超導(dǎo)線繞制成線圈，并構(gòu)成閉合回路，

如果對其勵(lì)磁，電流就能持久下去，于是就可以把儲(chǔ)存的磁能無損耗的長期保存下來?！?6打開開關(guān)S2、S3，關(guān)上S1就可對線圈L勵(lì)磁，

改變電阻R就可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小及勵(lì)磁時(shí)間長短。關(guān)上S2，打開S1，就有持久電流在回路中無阻流動(dòng)：

線圈儲(chǔ)能需釋放能量時(shí)，關(guān)上S3，打開S2，

線圈中儲(chǔ)存的能量就可以送到外部負(fù)載上去。☆67激光武器就要求能瞬間提供數(shù)十億到上百億焦耳的能量，

而且貯能效率高（90%~95%）。在民用電力工業(yè)中，可利用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié)晝夜用電：

儲(chǔ)存10000kW·h的電能只需截面積25m2，

直徑為150m的螺繞環(huán)即可。在核物理實(shí)驗(yàn)、航天火箭尖端技術(shù)中，

超導(dǎo)儲(chǔ)能方式也有著重要應(yīng)用。☆683.超導(dǎo)磁懸浮裝置和電磁推進(jìn)器磁懸浮列車有常導(dǎo)和超導(dǎo)兩種，備受矚目的上海磁懸浮列車屬于前者1979年日本國鐵公司試制成超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)列車，它創(chuàng)了504km/h的高速運(yùn)行記錄。我國第一輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮列車已由西南大學(xué)研制成功，

可載5人，永磁導(dǎo)軌長15.5米，最大懸浮重量達(dá)700公斤。

☆69當(dāng)一列車快速駛過時(shí)，

車兩旁的超導(dǎo)磁鐵便會(huì)在線圈上感應(yīng)出電流，超導(dǎo)磁鐵在“8”字形的線圈中心以下經(jīng)過，

因此“8”字形線圈下半部的磁通量改變比上半部大，感應(yīng)出如圖(b)所示的電流，產(chǎn)生磁力。磁懸浮原理☆70“8”字形線圈下半部的磁極與超導(dǎo)磁鐵的磁極相同，

上半部則與之相反，結(jié)果是這兩部分的線圈對超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生的磁力

都有一個(gè)向上的分力，把列車懸浮起來。由于“8”字形線圈只有在超導(dǎo)磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)

才能感應(yīng)出電流并產(chǎn)生磁性，因此當(dāng)火車靜止的時(shí)候，便不能浮起。

所以，火車在啟動(dòng)時(shí)會(huì)首先靠輪子來滑行，

直到產(chǎn)生的磁力足以承托火車的重量，才將輪子收起來，就好像飛機(jī)起飛一樣。☆71日本磁懸浮火車推拉力軌道兩側(cè)裝有線圈，交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w，

它與列車上的超導(dǎo)磁鐵相互作用。列車行駛時(shí)，車頭的磁鐵(N極)被軌道上靠前一點(diǎn)的電磁體(S極)所吸引，

同時(shí)被軌道上稍后一點(diǎn)的電磁體（N極）所排斥，結(jié)果是前面“拉”，后面“推”，使列車前進(jìn)?！?2電磁推進(jìn)器一種完全嶄新的推進(jìn)方式，

為超導(dǎo)技術(shù)在海上交通中應(yīng)用開辟新的領(lǐng)域☆73內(nèi)磁式電磁推進(jìn)原理超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)大的向下方向的磁場，

海水從推進(jìn)器的前端進(jìn)入，在內(nèi)腔兩側(cè)橫向加電壓?！?4海水中的電子和離子在電壓的作用下，沿艦體橫向運(yùn)動(dòng)，

運(yùn)動(dòng)方向相反，但電子和離子的電量相反，在腔內(nèi)的電子和離子受到方向相同的向后的洛倫茲力。☆75在強(qiáng)大的洛倫茲力作用下，海水由艦體的尾部噴出，

從而產(chǎn)生推動(dòng)船體向前的強(qiáng)大推動(dòng)力，推力的大小與磁場強(qiáng)度和電流大小的乘積成正比?！?6一旦現(xiàn)代潛艇使用了這種推進(jìn)器，便從根本上消除了因機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪音以及功率限制，而能在幾乎絕對安靜的狀態(tài)下以極高的航速航行。理論計(jì)算其航速可達(dá)150節(jié)，這是任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)類推進(jìn)器不可能實(shí)現(xiàn)的。☆77不用螺旋槳，以噴射推進(jìn)取代傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電能直接轉(zhuǎn)換成流體動(dòng)能。在特殊船舶推進(jìn)應(yīng)用中具有重大價(jià)值，對大型、高速的深海潛航艦艇尤其具有吸引力?！?8利用超導(dǎo)體完全抗磁性還可以設(shè)計(jì)出其它磁懸浮裝置。例如，

把軸懸浮在超導(dǎo)線圈之間，使軸跟軸承間不直接接觸，

制成“無摩擦軸承”，從而可大大提高轉(zhuǎn)動(dòng)速度；用幾個(gè)超導(dǎo)線圈將超導(dǎo)球懸浮起來，

做成導(dǎo)彈、航天器及輪船導(dǎo)航用的無摩擦超導(dǎo)陀螺儀，

精度高、漂移小、體積小、重量輕；也可以利用磁懸浮發(fā)射火箭，

避免發(fā)射導(dǎo)板與軌道間直接接觸的摩擦，

可將發(fā)射速度提高3倍以上?！?94.超導(dǎo)電子器件自從發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)結(jié)的奇特性質(zhì)以來，

已經(jīng)利用約瑟夫遜效應(yīng)制成了多種高、精、尖的實(shí)用裝置，為超導(dǎo)體在電子工業(yè)中的應(yīng)用，展現(xiàn)出廣闊的前景?！?0約瑟夫森結(jié)可以制成超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）☆81在醫(yī)學(xué)上可用來作出人體心磁圖、肺磁圖、腦磁圖等，

用于臨床診斷心血管病、矽肺病等，

研究人體特異功能、氣功原理、針灸機(jī)理等；在地質(zhì)勘探中，尋找弱磁性礦床和地?zé)豳Y源；在基礎(chǔ)研究中探測引力波、基本粒子、磁單極等。也可用其來探測地下和深海海底的礦藏，

通過探測磁場及其變化就能確定礦藏的確切位置和種類，

為合理開發(fā)和利用這些天然資源打下基礎(chǔ)?！?2利用SQUID磁強(qiáng)計(jì)可以制成