淺談超導及其應用
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篇名
淺探超導及其應用
作者
劉辰偉。國立台中二中。一年十五班
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淺談超導及其應用
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淺探超導及其應用
壹●前言
日常生活中的電器用品，常因電阻的關係用久了會發熱或是壞掉。電阻也會在電
的輸送方面造成相當大的能量損失，大大降低能源的利用效率。若能使物體無電
阻，便能提升電能的利用效率。〈註一〉超導便能解決此問題，對人類的生活也
有相當大的助益。
此外，超導也常被應用在醫學、磁浮列車等方面。
貳●正文
一、超導介紹
01. 超導的定義
就是電阻極小，幾乎無電阻超級導體。
02. 原理
通常金屬的導電能力因溫度的升高而降低，此種現象可以用動力學的觀點來解
釋。當金屬受熱時，金屬原子核的振動增加，阻礙了價電子的流動速度。相反地，
當金屬冷卻近絕對零度（0K）時，金屬粒子幾乎停止不動，此時價電子可以在
毫無阻礙的狀態下流動，達成無電阻狀態，我們稱此溫度為該金屬的超導溫度
（Superconducting Transition Temperature）。在此溫度，金屬成為超導體，金屬中
的價電子能以百分之百的效率傳遞，期間並無能量的損失。（註二）
03. 性質
當溫度低於其超導轉變溫度(或稱臨界溫度)[Critical Temperature ; Tc]時，它具有以
下兩種特性。
A.零電阻
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於一般導體內，電子通過時會與導體內原子所構成之對稱結構(晶格)作用，
能量部分傳遞至晶格上形成晶格振動而造成損失(放熱)，此為電阻之成因。於金
屬導體中，晶格與導電電子作用程度隨溫度上升而增加，故其電阻亦隨溫度上
升；而於半導體中，溫度上升有助於產生更多導電電子，此效應大於晶格與導電
電子之作用，因而溫度上升時，電阻反而下降。
超導體的導電現象則與一般導體不同。當溫度高於其Tc 時，超導體表現出
一般導體或半導體之特性，此時仍有電阻產生；但溫度降至Tc 以下時，電子在
結構中運動完全不會受到晶格之影響，亦即電阻完全消失，此種現象即稱為零電
阻(Zero Resistance)。
B.反磁性
有電必有磁，超導體既然具有如此特殊之電性，那麼也可能具有於不同於一
般的磁特性。超導體在溫度高於其Tc 時，其外加磁場可自由穿過其內部，亦即
超導體內部可有磁場存在；但溫度低於Tc時，則超導體內之磁場便全被排出其
內部，成為一零磁場狀態，即為反磁性(Diamagnetism)。此現象於1933年為Meissner
發現，故稱為Meissner效應。（註三）
04.超導的結構
超導可分為傳統超導及高溫超導兩種。
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A. 傳統超導
多以合金為主，Tc較低。較常見的有Hg、Nb3Sn、Nb-Al-Ge及其中Tc最高的Nb3Ge
等(圖五)。
圖五 Nb3Ge晶體結構，其中大球為Nb，小球為Ge
B.高溫超導體
一般為氧化物，且多為含銅之氧化物，Tc較高。超導電流主要是於圖六中所
示之銅氧平面上流動，此種於銅氧層上流動的電流，使得其超導特性傾向於二維
的性質，而與傳統超導體的三維性質有所區分（圖六）。（註四）
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二、超導的應用
01.磁浮列車
最常見的例子即是磁浮列車與目前使用車輪的交通工具，在構造上不同，有它獨
特的方。它不靠車輪行駛，而是利用電磁鐵的力量使車身「浮」起，再靠著的特
殊的電動機的力量（線型馬達）來行走。其時速可高達300公里，將是未來交通
工具的新主角。現在美、日、法等國都在積極開發之中。
02.基礎科學
利用超導裝置可以正確測量磁場強度，磁通量、電流、電壓、電磁能等許多物理
量，而且這種儀器分辨能力極高，如超導量子幹涉儀可以正確測量人的心磁、腦
磁以及地磁。普通超導體的最大應用市場是在低溫物理研究領域，首先應用於探
測器、焊接設備及粒子加速器。
03.電子工業
電子工業有可能是新型超導體的第一個銷售市場，在計算機上採用高溫超導材料
有兩大優點：一是它減少了為冷卻約瑟夫森裝置所需的致冷；二是它通過回憶信
號傳遞速度，改善了具有普通芯片的機器性能。在計算機中大規模應用高溫超導
薄膜可以加快計算速度。其運算速度比硅器件快1000倍。
電路的時間常數取決於電路的電阻和電
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