第1章 超導(dǎo)電纜概述

1.1 超導(dǎo)技術(shù)

1.1.1 超導(dǎo)現(xiàn)象及其基本特征

1.零電阻特性

超導(dǎo)現(xiàn)象是指超導(dǎo)體在一定條件下電阻消失的現(xiàn)象。1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た溋帧ぐ耗崴故状卧谝汉囟?.2K發(fā)現(xiàn)純汞（Hg）的超導(dǎo)現(xiàn)象。之后進(jìn)一步開展了著名的永恒電流試驗(yàn)，即通過在鉛制超導(dǎo)線圈中激發(fā)0.6A的電流，經(jīng)過1h后，超導(dǎo)線圈的電流沒有衰減。多位科學(xué)家用不同的方式，改進(jìn)和重復(fù)了該試驗(yàn)，驗(yàn)證了超導(dǎo)材料的零電阻特性。

2.邁斯納效應(yīng)

1933年，德國物理學(xué)家華爾特·邁斯納等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，其內(nèi)部的磁場被完全排除到材料外部，導(dǎo)致材料內(nèi)部的磁場B保持為零（見圖1-1），該現(xiàn)象與材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)前后外磁場的變化情況沒有關(guān)系，因此超導(dǎo)材料的這種特性被稱為邁斯納（Meissner）效應(yīng)。

3.約瑟夫森效應(yīng)

當(dāng)兩塊超導(dǎo)體之間夾有一層很薄的絕緣層（或其他非超導(dǎo)材料）時(shí)，電子可以以電子對的形式通過量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，無阻地通過這個(gè)夾層。1962年，英國牛津大學(xué)研究生B.D.約瑟夫森首先從理論上對超導(dǎo)電子對的隧道效應(yīng)作了預(yù)言，因此該效應(yīng)被稱為約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森效應(yīng)又包括直流約瑟夫森效應(yīng)和交流約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森效應(yīng)在量子線路中有許多重要的應(yīng)用，例如超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）、超導(dǎo)量子計(jì)算以及快速單磁通量子（RSFQ）數(shù)字電子設(shè)備等。

4.超導(dǎo)材料的臨界特性

（1）臨界溫度最早超導(dǎo)材料從正常態(tài)向超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變是通過不斷地降低溫度發(fā)現(xiàn)的，也就是說，超導(dǎo)材料只有在溫度低于某個(gè)特定值時(shí)，才會(huì)擁有超導(dǎo)特性。使得超導(dǎo)材料從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度即為超導(dǎo)材料的臨界溫度，以Tc表示。與臨界電流轉(zhuǎn)變過程相似，隨著溫度降低，從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)也是在一定溫度間隔內(nèi)完成的。這個(gè)溫度間隔被稱為轉(zhuǎn)變寬度，以ΔTc表示，ΔTc的大小取決于材料的純度，晶體的完整性和樣品內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)等因素。高純、單晶、無應(yīng)力的金屬超導(dǎo)體樣品轉(zhuǎn)變寬度小于10-3K[1]，而常見的實(shí)用高溫超導(dǎo)材料由于內(nèi)部的不均勻性等原因，其轉(zhuǎn)變寬度通常在0.5～1K。

（2）臨界電流密度與臨界電流試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體無阻通過電流的能力是有上限的，當(dāng)超導(dǎo)體內(nèi)通過的電流密度超過臨界值Jc時(shí)，超導(dǎo)體將恢復(fù)到正常態(tài)。這個(gè)電流密度的臨界值被稱為超導(dǎo)體的臨界電流密度，一般以Jc表示。對于實(shí)際應(yīng)用的超導(dǎo)帶材、線材、電纜等，出于使用方便，一般用臨界電流來表示無阻電流的上限值，以Ic表示。不同超導(dǎo)材料從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的速度是不一樣的，對于大多數(shù)金屬元素超導(dǎo)體，超導(dǎo)態(tài)到正常態(tài)的轉(zhuǎn)變是突變的，對于合金超導(dǎo)材料、化合物超導(dǎo)材料，電阻的恢復(fù)相對較為緩慢，隨著電流密度的增加，漸變到正常態(tài)電阻。通常以1μV/cm作為超導(dǎo)態(tài)的判據(jù)，一般情況超導(dǎo)材料臨界電流隨溫度、磁場的上升而單調(diào)遞減。

與低溫超導(dǎo)體不同，高溫超導(dǎo)體是氧化物陶瓷，具有晶體特性和強(qiáng)烈的各向異性。高溫超導(dǎo)體臨界溫度轉(zhuǎn)變范圍寬，臨界電流密度與溫度之間的關(guān)系為

式中，Jc（0）代表絕對零度時(shí)材料的臨界電流密度，是通過擬合獲得的常數(shù)。

常用高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度與指數(shù)見表1-1。

5.臨界磁場

1914年，昂納斯發(fā)現(xiàn)給超導(dǎo)體施加較大的外磁場會(huì)使超導(dǎo)體產(chǎn)生電阻，恢復(fù)正常態(tài)。使得超導(dǎo)體失去超導(dǎo)電性的磁場強(qiáng)度臨界值即為超導(dǎo)材料的臨界磁場強(qiáng)度，以Hc表示。在小于Tc的溫度下，Hc是一個(gè)隨溫度降低而升高的函數(shù)，其近似表達(dá)式為

與臨界溫度Tc類似，超導(dǎo)體在臨界磁場強(qiáng)度附近的超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變也存在轉(zhuǎn)變寬度。如圖1-2所示，對于Ⅰ類超導(dǎo)體，當(dāng)磁場大于臨界磁場即為正常態(tài)，磁力線正常穿透超導(dǎo)體，小于臨界磁場即為邁斯納態(tài)，磁力線完全排除到超導(dǎo)體之外；對于Ⅱ類超導(dǎo)體，在邁斯納態(tài)與正常態(tài)之間還存在混合態(tài)，混合態(tài)的下邊界為下臨界磁場，以Hc1表示，上邊界為上臨界磁場，以Hc2表示。

6.不可逆場

不可逆場是指當(dāng)磁場小于某個(gè)值時(shí)，超導(dǎo)材料對通過其的磁通存在釘扎效應(yīng)，磁化不可逆。反之，當(dāng)磁場大于這個(gè)值時(shí)，釘扎力消失，此時(shí)，若超導(dǎo)材料通過電流就會(huì)引起磁通開始流動(dòng)并產(chǎn)生損耗。這個(gè)磁場即為不可逆場，用Hir表示。不可逆場也是與溫度相關(guān)，且不可逆場小于上臨界磁場，如圖1-3所示。