第1章 超導電纜概述

1.1 超導技術

1.1.1 超導現象及其基本特征

1.零電阻特性

超導現象是指超導體在一定條件下電阻消失的現象。1911年，荷蘭物理學家海克·卡麥林·昂尼斯首次在液氦溫度4.2K發現純汞（Hg）的超導現象。之后進一步開展了著名的永恒電流試驗，即通過在鉛制超導線圈中激發0.6A的電流，經過1h后，超導線圈的電流沒有衰減。多位科學家用不同的方式，改進和重復了該試驗，驗證了超導材料的零電阻特性。

2.邁斯納效應

1933年，德國物理學家華爾特·邁斯納等人發現，當材料變為超導態后，其內部的磁場被完全排除到材料外部，導致材料內部的磁場B保持為零（見圖1-1），該現象與材料轉變為超導態前后外磁場的變化情況沒有關系，因此超導材料的這種特性被稱為邁斯納（Meissner）效應。

3.約瑟夫森效應

當兩塊超導體之間夾有一層很薄的絕緣層（或其他非超導材料）時，電子可以以電子對的形式通過量子力學的隧道效應，無阻地通過這個夾層。1962年，英國牛津大學研究生B.D.約瑟夫森首先從理論上對超導電子對的隧道效應作了預言，因此該效應被稱為約瑟夫森效應。約瑟夫森效應又包括直流約瑟夫森效應和交流約瑟夫森效應。約瑟夫森效應在量子線路中有許多重要的應用，例如超導量子干涉儀（SQUID）、超導量子計算以及快速單磁通量子（RSFQ）數字電子設備等。

4.超導材料的臨界特性

（1）臨界溫度最早超導材料從正常態向超導態轉變是通過不斷地降低溫度發現的，也就是說，超導材料只有在溫度低于某個特定值時，才會擁有超導特性。使得超導材料從正常態轉變為超導態的這個轉變溫度即為超導材料的臨界溫度，以Tc表示。與臨界電流轉變過程相似，隨著溫度降低，從正常態轉變為超導態也是在一定溫度間隔內完成的。這個溫度間隔被稱為轉變寬度，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部的應力狀態等因素。高純、單晶、無應力的金屬超導體樣品轉變寬度小于10-3K[1]，而常見的實用高溫超導材料由于內部的不均勻性等原因，其轉變寬度通常在0.5～1K。

（2）臨界電流密度與臨界電流試驗發現，超導體無阻通過電流的能力是有上限的，當超導體內通過的電流密度超過臨界值Jc時，超導體將恢復到正常態。這個電流密度的臨界值被稱為超導體的臨界電流密度，一般以Jc表示。對于實際應用的超導帶材、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。不同超導材料從超導態轉變為正常態的速度是不一樣的，對于大多數金屬元素超導體，超導態到正常態的轉變是突變的，對于合金超導材料、化合物超導材料，電阻的恢復相對較為緩慢，隨著電流密度的增加，漸變到正常態電阻。通常以1μV/cm作為超導態的判據，一般情況超導材料臨界電流隨溫度、磁場的上升而單調遞減。

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

式中，Jc（0）代表絕對零度時材料的臨界電流密度，是通過擬合獲得的常數。

常用高溫超導材料的臨界溫度與指數見表1-1。

5.臨界磁場

1914年，昂納斯發現給超導體施加較大的外磁場會使超導體產生電阻，恢復正常態。使得超導體失去超導電性的磁場強度臨界值即為超導材料的臨界磁場強度，以Hc表示。在小于Tc的溫度下，Hc是一個隨溫度降低而升高的函數，其近似表達式為

與臨界溫度Tc類似，超導體在臨界磁場強度附近的超導-正常態轉變也存在轉變寬度。如圖1-2所示，對于Ⅰ類超導體，當磁場大于臨界磁場即為正常態，磁力線正常穿透超導體，小于臨界磁場即為邁斯納態，磁力線完全排除到超導體之外；對于Ⅱ類超導體，在邁斯納態與正常態之間還存在混合態，混合態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

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