1911年，荷兰物理学家昂纳斯发现汞的直流电阻在4.2K时突然消失，首次观察到超导电性。

超导始终是物理上最令人感兴趣的问题之一，又是科技应用最为重要的问题之一。

马梯阿斯说:“如果在常温下实现超导现象，则将使现代文明的一切技术发生改变。

”近90年超导科技发展经历的三个阶段：1911-1957年：超导微观理论(BCS常规超导理论)问世。

巴丁、库珀和施瑞福获1972年诺贝尔。

1958-1985年：超导技术应用的准备阶段。

1986年之后：发现超导转变温度高于30K的超导材料La-Ba-Cu-O后，超导技术开发应用。

超导现象的发现条件：气体液化技术的发展19世纪末，液化气体技术取得了突破性进展，曾一度被视为“永久气体”的空气于1895年被液化；1898年，杜瓦首次把氢气液化，温度为-253℃；1908年，荷兰的莱登实验室在昂内斯指导下，实现了氦气的液化，液化温度4.25K；1908年7月，莱登实验室制得液氮，之后他们又通过减压降温的方法得到1.15K的低温。

昂内斯根据杜瓦的实验预期，随温度降低电阻率会平缓地趋于零，然而采用纯汞实验在4.2K 附近电阻突然降为零。

按照预期应为摄氏零度电阻值1/500，结果小于百万分之一。

此后，昂内斯和他的学生霍尔斯特又发现其他许多金属也有超导现象，如锡的超导温度为3.8K 。

超导体：当冷却到一定温度以下出现超导电性的材料。

Onnes 由于在超导方面的卓越贡献，获得了1913年诺贝尔物理学奖。

第一节超导现象及超导材料的基本性质超导材料如果将这种导线做成闭合电路，电流就可以永无休止地流动下去。

铅环中的电流不停流动，数值也没有变化。

超导体中有电流没电阻，说明超导体是等电位的，超导体内没有电场。

超导材料超导体由常态转变为超导态时样品发生了一定的有序化比热容发生了突变，电子热容发生了△C 的变化熵减小形成某种额外的电子有序（4）超导体的同位素效应早在1950 年，英国物理学家弗罗里希就预言：超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定关系。

所谓“临界温度”，就是导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度。

他经过分析后认为，同位素之间的电子分布状态是相同的，而原子质量是不同的，那么，超导电性会不会与晶格原子的性质有关呢？也许，超导的出现（即电阻的消失）是由于电子和晶格原子的相互作用才产生的吧！那么，电子和晶格原子是怎样互相作用呢？隧道效应：在微观世界中，电子具有穿过比其自身能量还要高的势垒的本领的量子效应。

当然，穿透几率随势垒的高度和宽度的增加而迅速减小。

如果在两块Al 之间夹入一层很薄的势垒（绝缘层为Al 2O 3，厚度约10-10m ），当在两块Al 之间加上电势差后，就有电流流过绝缘层，这就是正常金属的隧道效应。

(5) 超导隧道效应如果其中的Al进入超导态，就称为约瑟夫森结（下图）。

1962年，剑桥大学的博士后约瑟夫森（B D Josephson）理论计算表明，当绝缘层小于1.5～2×10-9m时，除了前面所述的正常电子的隧道电流外，还会出现一种与库珀电子对相联系的隧道电流，而且库珀电子对穿越势垒后，仍保持其配对的形式。

这种不同于单电子隧道效应的新现象，称为约瑟夫森效应。

第二节超导电性的理论基础和微观机制超导材料超导材料1935年，伦敦兄弟提出，超导电子产生的电流密度为j s +(n s e*2/m*)A =0利用伦敦方程可以得到穿透深度λL =（m*/µ0n s e*2）1/2大多数超导电性的金属元素，穿透深度约为10-8~10-7米。

2、超导体的电磁理论－伦敦方程由于在表层流动的超导电流对外磁场起屏蔽作用，才使超导体具有完全的逆磁性。

通常将表层的超导电流称为逆磁电流或屏蔽电流。

超导体的临界温度Tc与其同位素质量M有关。

M越大，Tc越低，这称为同位素效应。

例如，原子量为199.55的汞同位素，它的Tc是4.18开，而原子量为203.4的汞同位素，Tc为4.146开。

当M→∞时，Tc应趋于零，没有超导电性。

超导材料电子间通过交换声子产生吸引作用。

考虑到电子的自旋，最佳的配对方式是动量相反同时自旋相反的两个电子组成库柏对。

3）库柏（Cooper)电子对库柏对之间通过交换声子耦合在一起，拆散一个库柏对，产生两个正常态电子需要外界提供能量。

库柏对吸收能量变成两个独立的正常电子的过程称为准粒子激发。

在常温下，金属原子失去外层电子成为正离子规则排列在晶格的结点上作微小振动。

自由电子无序地充满在正离子周围。

在电压作用下，自由电子的定向运动就成为电流。

自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。

当超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”，由于晶格的振动，会形成“电子对”（即“库珀电子对”）。

温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。

在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。

如下图：可以这样简单地理解：当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，就失去了超导性。

以上就是由Bardeen、Cooper、Schrieffer 在1957年提出的著名的BCS理论，它表现了目前许多科学家对超导现象的理解，但这并不是最终答案，高温超导体的发现又需要人们进一步探索超导的奥秘。

超导材料已经发现近30种单质和几千种合金及化合物具有超导现象。

1986年, 德国科学家柏诺兹和瑞士科学家弥勒发现了第一个高温超导体------钡镧铜氧化物在紧接下来的几年, 不同的高温超导体系相继被发现, 超导温度也迅速攀升至160K 。

然而不幸的是高温超导的机理至今仍然是一个谜。

第三节超导材料的种类及其性能M üller & Bednorz High Temperature Superconductors (1986)第三节超导材料的种类及其性能相对于氧化物高温超导体而言，元素、合金和化合物超导体的超导转变温度较低(Tc ＜30K)，其超导机理基本上能在BCS 理论的框架内进行解释，因而通常又称为常规超导体或传统超导体。

一、常规超导体已发现超导元素近50种，如下图所示。

除一些元素在常压及高压下具有超导电性外，另部分元素在经过特殊工艺处理后显示出超导电性。

其中铌Nb 的Tc 最高(9.2 K)。

元素超导体周期表中的超导元素第三节超导材料的种类及其性能超导材料第三节超导材料的种类及其性能具有超导电性的合金及化合物多达几千种，真正能够实际应用的并不多。

下面给出了一些典型合金及Sn是20世纪化合物的Tc(最大值)。

其中A-15超导体Nb350年代马梯阿斯首次发现的。

在1986年以前发现的超导体中，这类化合物中的Tc居于领先地位，它们中临Ge薄膜，为23.2K。

界温度最高的是Nb3高温超导体有着与传统超导体相同的超导特性，即：零电阻有这些现象的特性、迈斯纳效应、磁通量子化和约瑟夫森效应。

BCS 理论是目前能解释所唯—理论，但这并不意味高温超导体就是BCS 超导体。

高温超导体的配对机理目前还不清楚。

新型的氧化物高温超导体与传统超导体相比较，有其独持的结构和物理特征。

主要表现在它们具有明显的层状结构、较短的超导相干长度、较强的各向异性以及Tc 对载流子浓度的强依赖天系。

二、高温超导体第四节超导材料的应用超导材料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。

大电流应用即前述的超导发电、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。

核聚变反应堆“磁封闭体”利用超导体产生的巨大磁场，应用于受控制热核反应。

核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿℃。

没有任何常规材料可以包容这些物质。

而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

第四节超导材料的应用超导材料一、能源领域的应用1、开发新能源（1）核聚变反应堆“磁封闭体”磁约束的应用目前，磁约束主要应用在核聚变上，实现受控(热)核聚变。

著名的托卡马克装置即是利用磁约束原理实现受控核聚变。

它是一种形如面包圈的环流器，依靠等离子体电流和环形线圈产生的强磁场，将极高温等离子状态的聚变物质约束在环形容器里，以此来实现聚变反应。

2006年9月28日，中国耗时8年、耗资2亿元人民币自主设计、自主建造而成的新一代热核聚变装置EAST 首次成功完成放电实验，获得电流200千安、时间接近3秒的高温等离子体放电。

EAST 成为世界上第一个建成并真正运行的全超导非圆截面核聚变实验装置。

托卡马克装置:中国科学院合肥等离子体物理研究所超导托卡马克HT-7巨大的电感线圈原子弹爆炸“蘑菇云”。

（2）超导磁流体发电磁流体发电，是利用高温导电性气体（等离子体）做导体，并高速通过磁场强度为5万-6万高斯的强磁场而发电。

磁流体发电机的结构非常简单，用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

2、节能方面（1）超导输电（2）超导通讯（3）超导变压器第四节超导材料的应用超导材料我国目前15％的电能损耗在输电线路上，达900多亿千瓦时。

将超导电缆放在绝缘、绝热的冷却管里，管里盛放冷却介质，如液氦等，保证整条输电线路都在超导状态下运行。

这样的超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，可以传输几万安培的电流，电能消耗仅为所输送电能的万分之几。

二、交通领域的应用目前，世界上有3种类型磁悬浮技术，一是以德国为代表的常导电磁式磁悬浮。

二是以日本为代表的超导电动磁悬浮。

三是中国的永磁悬浮。

常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁浮列车Transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。

常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400~500公里,适合于城市间的长距离快速运输。

超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本的MAGLEV为代表。

它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上，在1000至1500公里的距离内堪与航空竞争。

永磁型即永久磁铁与轨道（由电磁轨道或导磁材料）相斥并保持在槽口中线可悬浮运行，是独立于德国、日本磁悬浮技术之外的磁悬浮技术。

磁悬浮列车的不足2.常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。

超导计算机是使用超导体元器件的高速计算机用约瑟夫逊器件制成电子计算机，称为约瑟夫逊计算机，也就是超导计算机，又称超导电脑。

这种电脑的耗电仅为用半导体器件制造的电脑所耗电的几千分之一，它执行一个指令只需十亿分之一秒，比半导体元件快10倍。