奇妙的超導世界

1、奇妙的超導世界奇妙的超導世界在日常生活中大家都應該有過使用電視、電腦、電燈等電器的經(jīng)驗，這些電器的出現(xiàn)也確實為生活帶來便利。然而當電器使用一段時間彳爰，機器通常都會發(fā)熱；若是使用時間過長，甚至還會因過熱而燒毀。造成這些問題的主要原因都來自電阻； 電阻是由於當電子流過導線的內部時， 被導線內部的材料阻擾其運動所造成的現(xiàn)象， 而該現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的即是我們所觀察到的發(fā)熱情形。 電阻所造成的發(fā)熱現(xiàn)象不僅是影響日常的使用， 在能源的利用上也是一大浪費。 每年因電線發(fā)熱所散失掉的能源相當可觀， 故傳輸時電力公司均采用高壓傳輸方式減少耗損， 但能量損失問題仍未徹底解決： 傳輸線的電阻仍會造成能量損失， 而轉

2、換電壓時也會產(chǎn)生熱，故能源的利用效率距 100% 仍有一段距離。也許有人會想： 如果有一種物質沒有電阻， 以這種物質為材料做導線不就可以解決之前提到的問題了嗎？聽起來似乎不大可能， 但實際上確實有這種物質的存在。它，就是超導體。原理-什麼是超導體？顧名思義，超導體（Superconductor） 是一種導電性較一般導體更佳的”超級導體” 。當溫度低於其超導轉變溫度（或稱臨界溫度）CriticalTemperature ; Tc時，它具有以下兩種特性-零電阻以及反磁性。零電阻 於一般導體內，電子通過時會與導體內原子所構成之對稱結構 （晶格 ）作用，能量部分傳遞至晶格上形成晶格振動而造成損失（放熱

3、），此為電阻之成因。 於金屬導體中， 晶格與導電電子作用程度隨溫度上升而增加，故其電阻亦隨溫度上升；而於半導體中，溫度上升有助於產(chǎn)生更多導電電子， 此效應大於晶格與導電電子之作用， 因而溫度上升時，電阻反而下降。超導體的導電現(xiàn)象則與一般導體不同。當溫度高於其Tc 時，超導體表現(xiàn)出一般導體或半導體之特性，此時仍有電阻產(chǎn)生；但溫度降至Tc 以下時，電子在結構中運動完全不會受到晶格之影響，亦即電阻完全消失（ 圖一） ，此種現(xiàn)象即稱為零電阻（Zero Resistance） 。反磁性 有電必有磁， 超導體既然具有如此特殊之電性， 那麼也可能具有於不同於一般的磁特性。超導體在溫度高於其Tc 時，其外加磁

4、場可自由穿過其內部，亦即超導體內部可有磁場存在；但溫度低於Tc 時，則超導體內之磁場便全被排出其內部， 成為一零磁場狀態(tài)， 即為反磁性(Diamagnetism) 。此現(xiàn)象於 1933 年為 Meissner 發(fā)現(xiàn)，故稱為 Meissner 效應 ( 圖二 )。圖一 零電阻圖二 反磁性發(fā)展史-超導體的演進20 世紀初期，低溫物理的發(fā)展由於液化氦氣技術的發(fā)明，使得低溫研究更進一步地延伸到 1 K 左右的區(qū)域。 當時對低溫下金屬所表現(xiàn)的電性仍不清楚， 以致各研究群慨法不一， 因此許多科學家均積極進行實驗來觀察分析金屬於低溫下的變化。 在這些研究群中， 位於荷蘭的萊登實驗室也是其中之一， 而他們在 1911 年的發(fā)現(xiàn)則開啟了超導體研究的序幕。西元 1911 年時，萊登實驗室的 Kamerlingh-Onnes等人已將許多金屬冷卻至極低溫， 發(fā)現(xiàn)其電阻會隨著溫度下降而下降。在這些金屬中， 某一些種類其電阻在極低溫時電阻會出乎意料的驟降為零，例如水銀(Hg) 。水銀在 4.2 K 以上時仍有電阻存在，但溫度再低至 4.2 K 以下時，電阻突然消失了！( 圖三)，此時電阻值已低於室溫值百萬分之一以下，於1.5 K 時更是僅有十億分之一，此時水銀已進入了一