超导体是什么？超导体的应用与分类有哪些

超导体是什么？超导体的应用与分类有哪些

超导体是20世纪初被发现的一种特殊物质状态，其在特定温度下可以实现零电阻导电。这种神奇的特性使得超导体在现代科技中有着广泛的应用，从磁共振成像（MRI）到粒子加速器，都离不开超导体的身影。本文将为您详细介绍超导体的定义、分类及其在现代科技中的应用。

根据其传导电流的能力，可以将元素分为三大类，例如，导体，绝缘体和半导体。导体主要是金属，例如银和铜，它们可以使电子自由移动并传导电流。木材或橡胶等绝缘子具有紧紧抓住外壳的电子，不允许它们传导任何电流。并且，当掺杂有五价或三价材料时，诸如硅和锗之类的半导体元素可以成为导体。

一个超导体可以传输电子，使得其导线中的电流将始终成环流动，而不会减弱或熔化，并且已经存在了数千年。当电子从一个原子流到另一个原子时，不存在电阻。这确保了当物质达到“临界温度”（即该物质变得超导时的温度）时，不会从该物质发出声音，热量或其他种类的能量。但是，许多物质需要处于极低的能量水平（非常冷）才能转化为超导体。正在研究在更高温度下生产超导化合物。2015年，《自然》杂志上发表的一篇论文报道了一种材料（H3S，）在223°K下处于等于大气压（155 GPa）超过一百万倍的压力下达到其超导状态。

1型和2型超导体的特性

超导体组

超导体主要分为两组，其中类型1的超导体包括从计算机微芯片到电缆的几乎所有地方都使用的基本导体。当前，这种超导体在标准压力下具有0.000325°K至7.8°K的临界温度。许多1型超导体需要很大的压力才能实现其超导性。例如，硫需要930万倍大气压才能在17°K温度下达到其超导状态。汞、铝、锌和铅是超导体的附加示例，它们可以分别在4.15°K，1.175°K，0.85°K和7.2°K时达到其超导性。在周期表中，大约一半的元素被认为是超导体。

在2型超导体中，材料由可掺入铅和铜的金属化合物组成。与类型1器件相比，此类超导体需要更高的温度才能实现其超导状态。对于这种急剧的温度升高要求的解释尚不清楚。例如，铜酸盐钙钛矿需要135°K的温度才能在标准压力下达到超导状态。磁场也可以穿透2型超导体，而1型超导体则没有这种特性。

超导体的应用

超导体是磁共振成像等技术的有希望的候选组件。这种机器利用超导体产生巨大的磁场，这为医生提供了一种非侵入性的方式来描绘患者身体内部的图像。在过去的十年中，超导体磁体还通过聚焦和弯曲碰撞粒子的射线导致了希格斯玻色子粒子的发现。

当放在强磁体旁边时，超导体的迷人特性和理论上有用的特性也可用于许多应用中。磁场感应出的电流自然地在超导体的表面上扩散，从而产生自己的抵消磁场。结果是超导体在空气中迅速悬浮，并被大气中看不见的磁力所提升。

超导体的另一个有趣应用是大型强子对撞机的结构，这是世界上最大，功能最强大的粒子加速器。在类似隧道的结构中，带电粒子的射线穿过装有强超导体的管。强磁场是由流经超导体的电流和电磁感应产生的，然后可以根据需要加速和操纵团队。

此外，超导体表现出迈斯纳效应，从而消除了化合物中的所有磁通量，并变成了完整的抗磁性材料。结果，磁场开始围绕超导体旋转。超导体的这种特性还使得可以将它们定期用于磁悬浮应用中，例如磁悬浮列车和量子锁定。

结论

阻止超导材料更广泛使用的原因是它们需要非常低的温度才能运行。到目前为止，据报道，达到其超导状态的材料的最高温度为223°K（-50.15°C），比南极冬季最寒冷的夜晚凉爽得多。专家希望发现一种在室温下表现出超导特性的物质。但是，这是一个艰巨的挑战。较高的温度会导致将超导电子对保持在一起的胶粘剂破裂，从而使该物质恢复为钝态的金属形式。但是，当前超导体的应用仍然令人着迷，并且将来还会有更多的应用。