一、超导电性的发现

19世纪末，由于电的应用和电磁波的发现，人们对电的研究出现了空前的热情。当时对电子如何在金属中运动还没有一个被一致接受的理论。当时的许多实验都发现了金属导体的电阻随着温度的降低而减小的现象。以詹姆斯·杜瓦为代表的许多科学家推测在温度达到绝对零度时纯金属的电阻应减小为零。但是有一部分科学家不同意这种观点，例如当时非常有名望的理论物理学家洛德·开尔文就预言金属的电阻会随着温度的降低而变小达到一个最小值然后随着温度的持续降低而增大。

到底哪一种观点是对的？如果是在今天，这是一个在一夜之间就可以验证的问题。方法很简单：通过实验，做一个金属样品电阻与温度变化的曲线，让温度接近绝对零度，结论就会出来。可是在当时却是无法办到的一件事。所以在19世纪后半叶，得到低温环境成了许多科学家的重要目标。1883年奥尔哲夫斯基（Olzewski）和乌罗波里夫斯基（Wroblewski）实现了氧气和氮气的液化（分别达到90.2K和77.3K）。十五年以后詹姆斯·杜瓦成功地将氢气液化，达到了20.5K的低温。低温技术得到了长足的进步，但是温度还是没有低到可以论证上面两种推论孰是孰非的程度。1908年荷兰科学家卡麦林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）成功地将氦气液化，达到了4.2K的低温。然后他又通过减压的方法，把温度降到了1.7K。这个成就本身已经确立了昂尼斯在科学史上的地位。但他并没有停止他的实验工作。他的目标是通过在低温条件下实验验证有关金属内电子导电机理的推论。在达到液氮温度以后，昂尼斯首先对铂导线进行了测量。实验结果是样品的电阻随着温度的降低而减小，并在4.3K达到最小。以后虽然温度持续降低，但样品的电阻不再变化。这个结果虽然与当时的一种理论推测吻合，但昂尼斯认为这也可能是样品中存在杂质所造成的现象。所以他开始寻找一种不含杂质的样品。他发现汞是一种比较理想的样品材料。汞在室温下是液体，在243.3K时成为固体，它可通过多次蒸馏的方法得到比铂、金、银纯度高得多的样品材料。1911年，他对汞导线样品进行测量，在温度达到4.2K时，样品的电阻突然消失了。当年10月在布鲁塞尔召开的第一届索尔维大会上，昂尼斯宣布了这一实验结果。当时在会议上并没有引起多大的反响，与会者并没有认识到这可能是一个新的物理现象的发现。在接下来的几年里，昂尼斯又和他的学生们一起发现了铟、锡和铅在3.4K、3.7K和7.2K也出现了电阻突然消失的现象。直到这时，这种电阻突然消失的现象才得到科学界的重视。因为导体的电阻消失（在仪器测量的精度内，电阻为零），所以这种现象被称为超导现象。具有超导现象的材料被称为超导体，而对应于某一超导体电阻突然消失的温度被称为该材料的超导临界转变温度，一般用Tc来表示。

自从昂尼斯1911年发现超导现象以来，人们已发现共有近40种元素是超导体。被发现的合金、化合物超导体的数量达到数千种。

二、超导体的基本特性


超导体有两个基本特性。超导体的基本特性之一是零电阻，就是说在超导临界转变温度之下，超导体可以在无电阻的状态下传输电流。超导体的另一个基本特性是完全抗磁性。也就是说超导体在处于超导状态时，可以完全排除磁力线的进入。这个现象是迈斯纳（Meissner）和奥克森费尔德（Oschenfeld）在1933年发现的，所以称做迈斯纳效应。

严格说来，完全抗磁性是超导体的更本征的特性。迄今为止，除了超导体外，还没有发现其它任何材料具有完全抗磁性。而对于零电阻和非常小的电阻的区别，在量上是很难定义的，尤其是在测量中受到所使用仪器精度的限制。所以人们在鉴别某种材料是否是超导体时，除了使用电阻法来测量样品的电阻外，更多的是使用磁测量的方法来测量样品的抗磁性。当然，现在如果要鉴定某种材料是否是超导体，两种方法会同时使用，使结论更加准确。

即使在低于超导临界转变温度时，超导体也不是可无限制地通过电流而仍处于无电阻的状态。当所通过的电流达到某一数值时，超导体将失去超导特性，变成具有电阻的一般正常导体。在一定温度下（这个温度一定低于超导体的临界转变温度）这个使超导体转变成正常导体的电流值就称为该超导体临界电流。为了更好地把超导体的超导载流能力与材料固有性质联系起来，人们一般用临界电流密度来表述超导体的载流能力。临界电流密度定义为临界电流/超导体通流截面积。另外，超导体在不同的温度下的临界电流密度是不同的。温度越低，临界电流密度会越大。所以在谈及临界电流密度时应指出是在什么温度下的临界电流密度。

超导体除了超导临界转变温度、临界电流密度外，还有一个重要的特征参数，这就是临界磁场强度。当把一个超导体置于一个磁场中，在磁场的强度小于一个特定的数值时，超导体会表现出迈斯纳效应，把磁力线完全排斥在超导体之外，超导体内部的磁场为零。当磁场的强度超过这个特定的数值时，磁力线就会进入超导体的内部，超导体也随之失去了超导的特性。这个特定的磁场强度的数值就叫做该超导体的临界磁场强度。类似于临界电流密度，超导体临界磁场强度也随着温度的变化而变化。所以在给出一种材料的临界磁场强度时，应指明所对应的温度。

综上所述，要保证一个超导体处于超导状态就必须同时满足所处在的温度低于其超导转变温度，所通过的电流密度小于其所处温度下的临界电流密度以及所处的磁场小于其在该温度下临界磁场强度。超导体的超导临界转变温度，临界电流密度和临界磁场强度是相互关联的三个基本参数。

三、有关超导体分类 、应用性质的进步

昂尼斯在发现了汞、铟、锡和铅的超导性以后，很快地就想到利用超导体来绕制电磁铁线圈，得到了强磁场。他和他的学生们选择了这几种元素中超导转变温度最高的铅（Tc=7.2K）来制作磁铁的螺线管线圈。因为超导体没有电阻，所以他期待用铅绕制的电磁铁在4.2K的温度下能得到很大的磁场。但是实验却令他大失所望，当给他们绕制的磁铁线圈刚刚加上一个不大的电流时，线圈便失去了超导性，对线圈施加大电流从而得到强磁场的梦想破灭了。

人们对超导体的应用前景开始失望，加上第一次世界大战的爆发，超导研究几乎中止了十几年。但由于超导性的神奇的魅力，人们在二十年代末又掀起一轮新的超导研究高潮。研究活动迅速扩大到了德国、苏联、英国、加拿大和美国。这一高潮以发现新的超导材料为主要目标。由昂尼斯早期发现的超导体中都是属于B族金属，这类金属的特性是熔点低，柔软，容易提纯。在二十年代末，科学家们在寻找新的超导材料的热潮中，把目光转移到了IVA和VA族高熔点的硬金属元素，人们很快发现了一些新的超导体。除了元素之外，人们还发现了许多IVA和VA元素的合金超导体。在对一些新的超导体进行测试时，人们惊奇地发现这些超导体在通过相当大的电流时仍能保持超导状态。在加上比较强的磁场时，这些超导体也能保持超导性。这与早年发现的B族金属超导体截然不同，为超导技术的实际应用带来了曙光。后来人们把这类超导体称为第二类超导体，把B族金属元素为代表的由元素超导体组成的那类超导体称为第一类超导体。

第二类超导体的发现，为超导技术的应用敲开了大门。在第二类超导体中尤其值得一提的是铌和它的一些合金。从20年代末到70年代初，人们发现铌的许多合金都是超导体。铌及其合金是目前应用最广泛的超导材料，其中比较典型的有铌金属，超导转变温度为9.5K，NbTi,超导转变温度为11K和Nb₃Sn，超导转变温度为18K。利用NbTi合金制造的超导导线在4.2K时可以在88,000高斯的磁场下通过100,000安培/平方厘米的电流。昂尼斯的梦想终于变成了现实。

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