超导体的特性、原理及应用

中国科学技术大学电磁学小论文

论文题目：超导体的特性、原理及应用

作者：蒋哥

学号：PB13206***

指导老师：周**

日期：2014.6.9

鸿门宴古今异义

超导体的特性、原理及应用

一、摘要

超导是指导电材料在温度接近绝对零度的时候，物体分

子热运动下材料的电阻趋近于0的性质；“超导体”是指能

进行超导传输的导电材料。零电阻和抗磁性是超导体的两个

重要特性。自从超导发现至今，超导的研究和超导体的研制vivo壁纸

已迅速发展，超导体的物质结构及性质已逐渐研究清楚，超

导的临界温度已从开始的几开升至二百多开，超导材料得到

广泛应用，特别是高温超导材料的广泛应用将会给社会带来

的巨大变革。

二、关键词

超导体 零电阻效应 迈斯纳效应 应用 实验验证

三、引言及背景

人类最初发现物体的超导现象是在1911年。当时荷兰

科学家卡翁纳斯等人发现，某些材料在极低的温度下，其

电阻完全消失，呈超导状态。使超导体电阻为零的温度，叫

超导临界温度。经过近100年的发展胃胀吃什么药 ，临界温度已大大提高，

现有的高温超导体用液态氮来冷却即可应用于实际。高温超

导材料的用途非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强

电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流

应用即超导发电、输电和储能；电子学应用包括超导计算机、

超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车

和热核聚变反应堆等。

四、正文

1、超导体的特性及原理

1.1零电阻效应

超导体在一定温度以下，其电阻降为零的现象称为材料

的超导电现象。1911 年荷兰著名低温物理学家昂纳斯发现

在 T＝4.1K下汞具有零电阻效应。采用四引线电阻测量法可

测出超导体的R－T 特性曲线，如图所示。

图中的 Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温

度称为起始转变温度 Ts；当电阻减小到 Rn/2 时的温度称

为中点温度 Tm；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。

由于超导体的转变温度还素三鲜饺子 与外部环境条件有关，定义在外部

环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，

测得的超导转变温度称为超导临界温度。

下面对这一特性进行理论分析：

欧姆定律的微分形式：j=E

（j为正常电流密度，为电导率，E为电场强度）

伦敦方程给出：偏js/偏t=aE和▽js=bB

（a=ns*e^2/m ，b=-ns*e^2/m ，ns为超导电子密度，e，m

为电子的电荷与质量,js是超导电流密度）

超导体中总电流密度j为： j=js+j

(假设j仍服从j=E)

在直流情形下有：偏js/偏t=0，由偏js/偏t=aE得E=0，

从而应有j=E=0

定性解释：在直流情形，全部电流是由超导电子贡献的，因

而表现出0电阻。

1.2迈斯纳效应(完全抗磁性效应)

1933 年，迈斯纳（er）发现：当置于磁场中

的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力

线会一下子被完全排斥到超导体之外（见下图），磁力线不

能穿过它的体内。也就是说超导体处于超导态时，体内的磁

场恒等于零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈

斯纳效应。需要注意的是超导体一旦进入超导状态，体内的

磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对导

体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导

状态，超导体就把全部磁通量排出体外。

下面对这一特性进行理论分析：

产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场

作用下，表面感生一个无损耗的（零电阻效应——无损耗）

抗磁超导电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相

等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句

话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此

称它为抗磁性屏蔽电流。

早期曾有人认为超导体是一种导电率等于无穷大的导体，



即用纯电学的观点去看超导体。实际上，这种观点认为超导

体与普通导体没有本质区别，其不同之处仅仅在于电导率的

大小存在着差异而已，实验证明这种想法是不正确的。





欧姆定律的微分形式

jE



（其中，j是电流密度矢量，E是电场强度，是电导率）



此外，由电磁学的麦克斯韦方程







B

E

t

可知，若将超导看成是的导体，超导体中的磁场B应满





足方程









Bj

E0







t

上式表明，超导体内的磁场B与时间t无关，或B不随时间

改变，而完全由初始条件决定。即超导体内，如果t=0时，

有磁场B，则以后磁场B的大小和方向皆不改变；如果t=0

时，超导体内无磁场，则以后恒无磁场。根据以上的结论，

我们可以设计两个实验如下图（实验1先冷却再外加磁场，

实验2先外加磁场再冷却），如果认为超导体是的普通





导体，则应出现图（a）的结果，即超导体内有无磁场，完

全取决于初始条件，先冷却，后加磁场则超导体内无磁场；

先加磁场，后冷却则超导体内有磁场。但实验结果表明图（a）

的情况并未出现。相反，实狮子座的性格 验结果是图(b)所示的情况。无

论是先冷却，后加磁场；还是先加磁场，后冷却，超导体内

部最终均无磁场。

却先

却先

冷

却后却后

冷冷

（a） （b）

冷

即超导体总是完全排斥磁场的，这是它不同于普通导体的特

性。

1.3约瑟夫森效应

当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子能

通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森效应，相应的装

置称为约瑟夫森器件，如图所示。

当通以低于临界电流值 I0时，在绝缘薄层上的电压为零，

但当电流I>I0时，会从超导态转变为正常态，出现电压降，

呈现有阻态，这种器件具有显著的非线性电阻特性，可制成

高灵敏度的磁敏感器件，应用在超高速计算机等场合。

2、超导特性的应用

2.1零电阻效应的应用

2.1.1超导电缆

目前大功率高压输电能量损失高达10%以上,根据超导

体的零电阻效应,可以利用超导电缆实现完全没有热损耗的

输电过程。并且超导导线的输运电流密度可达10Amm-2,

3

为普通导线的500～1 000倍,所以超导电缆具有体积小、重

量轻、能耗低和传输容量大等优点。采用超导电缆的电网电

压等级可以大大降低,省去了初终端设备,特别适合大容量

长距离输电。

2.1.2超导滤波器

超导滤波器是超导材料的先进应用之一，国际上很多

公司都在开展这方面的研究。由于超导体表面电阻为零，用

它制出的滤波器达到的特性是常规滤波器所无法比拟的。基

站中安装超导滤波器后，可以显著的提高基站的接收灵度，

扩大基站的覆盖范围，提高通话质量，降低对人体健康的影

响。

2.1.3超导磁储能系统

利用超导材料制成线圈,经供电励磁产生磁场而储存

能量,在需要时再将能量送回电网或作其他用途,这就是超

导磁储能系统。由于储能线圈是由超导体绕成并维持在超导

态,所储存的能量几乎可以无损耗地储存下去,因此,其能量

转换效率很高,可达95%,以及很快的反应速度,可达几毫秒。

该系统不仅可以用作高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇

的磁流体和电磁推进系统,还可用于调节电力系统的峰谷、

降低电网的低频功率以及无功和功率因素的调节,达到改善

电网电压和频率特征,改善系统稳定性的目的。

2.1.4超导发电机

常规发电机采用铜或铝作为导体，重量大，焦耳热高，

且发生瞬时过载时会发出很大的噪声。利用超导线圈磁体可

以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没

有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机

的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，

而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50%。

2.2迈斯纳效应的应用

2.2.1超导磁悬浮列车

磁悬浮车是超导技术在交通运输中的重要应用成果，

它具有安全、舒适、高速的优点，其它交通工具是无法与之

相比的。下图是磁悬浮车的原理模型图，车身底部截面呈凹

形，装有超导电磁体，导轨是铝质的，截面呈凸形。列车前

进时，车身底部的超导电磁体产生的磁场在铝制导轨内引起

感应电流，感应电流的磁场排斥车身的电磁铁磁场，使车身

悬浮在导轨上，从而使列车在行进过程中受到的摩擦阻力大

大减小。

2.2.2超导磁悬浮轴承

利用迈斯纳效应，超导转轴会产生与原磁场方向相反

的磁场，磁场的作用力使转轴悬浮而无摩擦，无摩擦的超导

轴承是机械中最理想的构件，它的应用会使许多机械面目为

之一新。

超导轴

磁场 磁场

3、设计实验验证超导体的零电阻效应和迈斯纳效应

3.1验证零电阻效应

1.取一超导圆环置于温度低于其临界温度Tc的环境中；

2.利用电磁感应使环内激发起感应电流；

3.检测环内电流的持续时间，若环内电流能持续下去；

再升高温度至高于Tc，若电流立刻消失，则说明零电

阻效应存在。

3.2验证迈斯纳效应

1.在一个浅平的超导体盘中，放入一个体积很小磁性很强

的永久磁铁，然后把温度降低至低于其临界温度Tc，

使其出现超导性。

2.若观察到小磁铁离开盘面并上升，上升到一定高度后，

小磁铁悬空保持不动，则说明迈斯纳效应存在。

五、结语

超导体有两个基本特性。其一是零电阻效应，即在超

导临界转变温度之下，超导体的电阻降为零。超导体的另一

个基本特性是完全抗磁性,即超导体在处于超导状态时，可

以完全排除磁力线的进入，这个现象被称为迈斯纳效应。

由于超导态的新奇特性,使超导体有着广泛的应用领

域和较高的实用价值。超导技术必将成为21世纪最热门的

高新技术之一。

六、参考文献

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迷惑的近义词 科学出版社.

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大学出版社.

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［5］岳小萍.理想导体与超导抗磁性［M］新乡学院学

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