第1章 超导电缆概述

1.1 超导技术

1.1.1 超导现象及其基本特征

1.零电阻特性

超导现象是指超导体在一定条件下电阻消失的现象。1911年，荷兰物理学家海克·卡麦林·昂尼斯首次在液氦温度4.2K发现纯汞（Hg）的超导现象。之后进一步开展了著名的永恒电流试验，即通过在铅制超导线圈中激发0.6A的电流，经过1h后，超导线圈的电流没有衰减。多位科学家用不同的方式，改进和重复了该试验，验证了超导材料的零电阻特性。

2.迈斯纳效应

1933年，德国物理学家华尔特·迈斯纳等人发现，当材料变为超导态后，其内部的磁场被完全排除到材料外部，导致材料内部的磁场B保持为零（见图1-1），该现象与材料转变为超导态前后外磁场的变化情况没有关系，因此超导材料的这种特性被称为迈斯纳（Meissner）效应。

3.约瑟夫森效应

当两块超导体之间夹有一层很薄的绝缘层（或其他非超导材料）时，电子可以以电子对的形式通过量子力学的隧道效应，无阻地通过这个夹层。1962年，英国牛津大学研究生B.D.约瑟夫森首先从理论上对超导电子对的隧道效应作了预言，因此该效应被称为约瑟夫森效应。约瑟夫森效应又包括直流约瑟夫森效应和交流约瑟夫森效应。约瑟夫森效应在量子线路中有许多重要的应用，例如超导量子干涉仪（SQUID）、超导量子计算以及快速单磁通量子（RSFQ）数字电子设备等。

4.超导材料的临界特性

（1）临界温度最早超导材料从正常态向超导态转变是通过不断地降低温度发现的，也就是说，超导材料只有在温度低于某个特定值时，才会拥有超导特性。使得超导材料从正常态转变为超导态的这个转变温度即为超导材料的临界温度，以Tc表示。与临界电流转变过程相似，随着温度降低，从正常态转变为超导态也是在一定温度间隔内完成的。这个温度间隔被称为转变宽度，以ΔTc表示，ΔTc的大小取决于材料的纯度，晶体的完整性和样品内部的应力状态等因素。高纯、单晶、无应力的金属超导体样品转变宽度小于10-3K[1]，而常见的实用高温超导材料由于内部的不均匀性等原因，其转变宽度通常在0.5～1K。

（2）临界电流密度与临界电流试验发现，超导体无阻通过电流的能力是有上限的，当超导体内通过的电流密度超过临界值Jc时，超导体将恢复到正常态。这个电流密度的临界值被称为超导体的临界电流密度，一般以Jc表示。对于实际应用的超导带材、线材、电缆等，出于使用方便，一般用临界电流来表示无阻电流的上限值，以Ic表示。不同超导材料从超导态转变为正常态的速度是不一样的，对于大多数金属元素超导体，超导态到正常态的转变是突变的，对于合金超导材料、化合物超导材料，电阻的恢复相对较为缓慢，随着电流密度的增加，渐变到正常态电阻。通常以1μV/cm作为超导态的判据，一般情况超导材料临界电流随温度、磁场的上升而单调递减。

与低温超导体不同，高温超导体是氧化物陶瓷，具有晶体特性和强烈的各向异性。高温超导体临界温度转变范围宽，临界电流密度与温度之间的关系为

式中，Jc（0）代表绝对零度时材料的临界电流密度，是通过拟合获得的常数。

常用高温超导材料的临界温度与指数见表1-1。

5.临界磁场

1914年，昂纳斯发现给超导体施加较大的外磁场会使超导体产生电阻，恢复正常态。使得超导体失去超导电性的磁场强度临界值即为超导材料的临界磁场强度，以Hc表示。在小于Tc的温度下，Hc是一个随温度降低而升高的函数，其近似表达式为

与临界温度Tc类似，超导体在临界磁场强度附近的超导-正常态转变也存在转变宽度。如图1-2所示，对于Ⅰ类超导体，当磁场大于临界磁场即为正常态，磁力线正常穿透超导体，小于临界磁场即为迈斯纳态，磁力线完全排除到超导体之外；对于Ⅱ类超导体，在迈斯纳态与正常态之间还存在混合态，混合态的下边界为下临界磁场，以Hc1表示，上边界为上临界磁场，以Hc2表示。

6.不可逆场

不可逆场是指当磁场小于某个值时，超导材料对通过其的磁通存在钉扎效应，磁化不可逆。反之，当磁场大于这个值时，钉扎力消失，此时，若超导材料通过电流就会引起磁通开始流动并产生损耗。这个磁场即为不可逆场，用Hir表示。不可逆场也是与温度相关，且不可逆场小于上临界磁场，如图1-3所示。