一、什么是超導(dǎo)，超導(dǎo)有哪些表現(xiàn)

‌超導(dǎo)（Superconductivity）‌是一種特殊的物理現(xiàn)象，指的是某些材料在溫度降低到某一臨界溫度以下時(shí)，電阻突然變?yōu)榱悖�并且表現(xiàn)出完全抗磁性的狀態(tài)。這種現(xiàn)象最早由荷蘭物理學(xué)家昂尼斯在1911年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)獨(dú)獾臏囟冉档偷揭欢ㄩ撝禃r(shí)，其磁導(dǎo)率無限大，表明磁力線在某些低溫下不能再通過物體，從而發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

超導(dǎo)態(tài)具有一系列臨界參量，如臨界溫度Tc、臨界磁場Hc、臨界電流密度jc等。必須同時(shí)低于三個(gè)臨界參量，超導(dǎo)態(tài)才能維持住，一旦材料的物理量超越臨界參量，超導(dǎo)態(tài)被破壞，變回不超導(dǎo)的正常態(tài)，此時(shí)恢復(fù)為有電阻態(tài)，磁通線也可以進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部。超導(dǎo)材料，又稱為超導(dǎo)體，指可以在在特定溫度以下，呈現(xiàn)電阻為零的導(dǎo)體。零電阻和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。

超導(dǎo)現(xiàn)象的主要表現(xiàn)包括以下幾個(gè)方面：

‌零電阻‌：在超導(dǎo)狀態(tài)下，超導(dǎo)材料的電阻幾乎為零，電流可以在沒有任何能量損失的情況下流過材料。

‌完全抗磁性‌：超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下會(huì)完全排斥磁場，表現(xiàn)出完全抗磁性，這種現(xiàn)象被稱為邁斯納效應(yīng)‌。

‌磁致流變‌：超導(dǎo)體在面臨外部磁場時(shí)，超導(dǎo)電子會(huì)以磁致流的方式快速流動(dòng)，產(chǎn)生磁致流變現(xiàn)象‌。

二、關(guān)于超導(dǎo)的理論假設(shè)主要包括以下幾個(gè)方面‌：

‌二流體模型‌：1934年，戈持和卡西米爾提出了二流體模型，解釋了超導(dǎo)體的零電阻特性。該模型假設(shè)金屬在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，自由電子分為兩部分：一部分是正常電子，受到晶格振動(dòng)的散射而產(chǎn)生電阻；另一部分是超流電子，不受晶格散射，因此電阻為零。超流電子在晶格中無阻地流動(dòng)，正常電子對超流電子起到短路作用，從而使得超導(dǎo)體內(nèi)部電流完全來自超流電子的貢獻(xiàn)‌。

‌倫敦方程‌：1935年，倫敦兄弟提出了兩個(gè)經(jīng)典方程來描述超導(dǎo)現(xiàn)象。倫敦方程描述了超導(dǎo)體在磁場中的行為，指出超導(dǎo)體具有完全抗磁性，即磁場不能穿過超導(dǎo)體內(nèi)部。倫敦方程的成功解釋了超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)‌。

‌金茲堡-朗道理論‌：1950年，金茲堡和朗道提出了一個(gè)描述超導(dǎo)體的唯象理論，該理論通過序參量來描述超導(dǎo)體的電磁性質(zhì)。金茲堡-朗道理論成功解釋了超導(dǎo)體的許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，包括磁場穿透超導(dǎo)體時(shí)的行為‌。

‌BCS理論‌：1957年，巴丁、庫珀和施里弗提出了BCS理論，這是目前最為成功的超導(dǎo)理論。BCS理論解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機(jī)制，指出超導(dǎo)電流是由電子成對形成的庫珀對在低溫下凝聚而成的。BCS理論成功解釋了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與元素同位素質(zhì)量的關(guān)系，并預(yù)言了新型超導(dǎo)材料‌。

這些理論假設(shè)和模型共同構(gòu)成了現(xiàn)代超導(dǎo)理論的基礎(chǔ)，解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的物理機(jī)制和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

三、超導(dǎo)體的形狀多種多樣，主要包括以下幾種：

1、線形超導(dǎo)體‌：這種超導(dǎo)體通常呈線狀，常用于制造超導(dǎo)電纜。例如，高溫超導(dǎo)電纜已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中投入使用，能夠高效傳輸電能，減少能量損耗‌。

2、帶材超導(dǎo)體‌：超導(dǎo)帶材是一種常見的超導(dǎo)體形狀，通常由多層超導(dǎo)材料和基底材料組成。它們廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)電力設(shè)備和超導(dǎo)磁體中，能夠承受較大的機(jī)械應(yīng)力和電流負(fù)荷‌。

3、塊狀超導(dǎo)體‌：塊狀超導(dǎo)體通常用于科學(xué)研究和高能物理實(shí)驗(yàn)中。例如，鈮、鉛等金屬超導(dǎo)體常用于制造超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)電磁體‌。

4、薄膜超導(dǎo)體‌：薄膜超導(dǎo)體通常用于微電子器件和集成電路中。它們具有較高的臨界磁場和電流密度，適用于高磁場環(huán)境下的應(yīng)用‌。

5、復(fù)合超導(dǎo)體‌：復(fù)合超導(dǎo)體由超導(dǎo)材料和非超導(dǎo)材料組成，常用于增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能。例如，超導(dǎo)帶材和超導(dǎo)線圈就是典型的復(fù)合超導(dǎo)體‌。

‌不同形狀的超導(dǎo)體在應(yīng)用中的具體應(yīng)用場景‌：

‌線形和帶材超導(dǎo)體‌：主要用于電力傳輸和電力設(shè)備中，能夠減少能量損耗，提高電力傳輸效率‌。

‌塊狀超導(dǎo)體‌：常用于科學(xué)研究和高能物理實(shí)驗(yàn)中，如制造超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)電磁體‌。

‌薄膜超導(dǎo)體‌：適用于微電子器件和集成電路中，能夠在高磁場環(huán)境下穩(wěn)定工作‌。

‌復(fù)合超導(dǎo)體‌：廣泛應(yīng)用于超導(dǎo)電力設(shè)備和超導(dǎo)磁體中，能夠增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性能‌2。

這些不同形狀的超導(dǎo)體在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)了超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

四、效應(yīng)解釋

‌磁致流變（Magnetorheological，簡稱MR）‌是一種在外加磁場作用下，材料的流變學(xué)特性（如粘度、彈性模量等）能夠迅速發(fā)生顯著變化的材料。這種變化是瞬間的、可逆的，并且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。

磁致流變材料的應(yīng)用領(lǐng)域

‌汽車工業(yè)‌：磁致流變材料在汽車工業(yè)中主要用于磁流變懸架系統(tǒng)。通過控制電磁線圈產(chǎn)生的磁場，磁流變液中的磁性顆粒迅速改變排列方式，形成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而改變減振器的阻尼特性，實(shí)現(xiàn)懸架性能的實(shí)時(shí)調(diào)整。這種技術(shù)能夠根據(jù)路面狀況和駕駛需求，實(shí)時(shí)調(diào)整車輛的操控性和舒適性，抑制車輛的俯仰、側(cè)傾及垂向振動(dòng)，提高制動(dòng)效率‌。

‌航空航天‌：在航空航天領(lǐng)域，磁致流變材料被用于飛機(jī)起落架的緩沖器、機(jī)翼的襟翼、尾翼的舵機(jī)等部件，以提高飛機(jī)的性能和安全性‌。

‌柔性智能器件開發(fā)‌：磁致流變材料具有高彈性、高響應(yīng)速度以及較好的剛度可調(diào)性，因此在柔性智能器件開發(fā)、仿生裝備以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用‌。

磁致流變材料的工作原理

磁致流變材料的主要成分是磁流變液，它由大量微小的磁性顆粒懸浮在非磁性液體中組成。當(dāng)外加磁場作用時(shí)，磁性顆粒迅速改變排列方式，形成鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致液體的粘度在毫秒之間迅速增加，從而改變材料的力學(xué)性能。這種變化是瞬間的、可逆的，并且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系。

磁致流變材料的發(fā)展前景

隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，磁致流變材料在未來的應(yīng)用前景非常廣闊。特別是在汽車工業(yè)中，隨著技術(shù)的成熟和成本的降低，預(yù)計(jì)未來將有更多的汽車減振器采用磁致流變技術(shù)。此外，其在柔性智能器件開發(fā)、仿生裝備以及生物醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也將進(jìn)一步推動(dòng)其發(fā)展。

‌邁斯納效應(yīng)（Meissner effect）‌是指超導(dǎo)體在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，會(huì)對磁場產(chǎn)生排斥現(xiàn)象，使得超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎為零的現(xiàn)象。這一效應(yīng)于1933年由瓦爾特·邁斯納和羅伯特·奧克森菲爾德在測量超導(dǎo)錫和鉛樣品外的磁場時(shí)發(fā)現(xiàn)。當(dāng)一個(gè)磁體和一個(gè)處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體相互靠近時(shí)，磁體的磁場會(huì)使超導(dǎo)體表面中出現(xiàn)超導(dǎo)電流。此超導(dǎo)電流在超導(dǎo)體內(nèi)部形成的磁場，恰好和磁體的磁場大小相等，方向相反。這兩個(gè)磁場抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，B=0，即超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場。在接近表面的一定距離內(nèi)，磁場并不會(huì)被完全抵消，這個(gè)距離被稱為倫敦穿透深度。倫敦穿透深度一般為50至500納米。具體來說，當(dāng)一塊磁鐵被放置在一個(gè)超導(dǎo)盤子上時(shí)，如果盤子被冷卻至其超導(dǎo)相變溫度以下，盤子會(huì)變成超導(dǎo)體。此時(shí)，盤子表面的感應(yīng)電流會(huì)使它也變成一個(gè)磁體，與上面的磁鐵互相排斥，從而導(dǎo)致磁鐵浮起來。只要不超過超導(dǎo)的抗磁限度，磁鐵就會(huì)一直浮在空中，否則會(huì)因?yàn)榇盆F的磁場進(jìn)入超導(dǎo)盤子而接觸‌。此外，邁斯納效應(yīng)不僅發(fā)生在磁鐵上方，還會(huì)在前后左右產(chǎn)生磁約束，使得超導(dǎo)體在磁場中傾向于保持當(dāng)前的姿態(tài)，抗拒各種變化‌。

五、超導(dǎo)臨界電流有多大

    臨界電流指處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體通以直流電流增加到臨界值時(shí)樣品轉(zhuǎn)入正常態(tài)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一超導(dǎo)體中流過電流時(shí)，超導(dǎo)體保持無阻有一電流上限，我們把它叫做該超導(dǎo)體的臨界電流Ic，只要I≥Ic，則超導(dǎo)體出現(xiàn)電阻。

指在超導(dǎo)體中流過的最大電流。超導(dǎo)臨界電流的大小取決于具體的超導(dǎo)材料和工作溫度。

對于常見的低溫超導(dǎo)體，例如銅氧化物和鉍鈦酸鋇等，其臨界電流可以達(dá)到幾千安培甚至更高。而對于高溫超導(dǎo)體，例如釔鋇銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體等，其臨界電流相對較低，一般在幾十安培到幾百安培之間。

需要注意的是，超導(dǎo)臨界電流受到材料的熱穩(wěn)定性和超導(dǎo)材料內(nèi)部的缺陷等因素的影響。

此外，超導(dǎo)臨界電流還受到外部磁場的影響，當(dāng)超導(dǎo)體受到過強(qiáng)的磁場作用時(shí)，其臨界電流可能會(huì)顯著降低。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮材料的特性和工作條件來確定超導(dǎo)臨界電流的大小。