篇名
超導體之初探
朱晉德。私立中山工商。綜合高中。一年五班
壹●前言
1911 年荷蘭物理學家發現，當把水銀溫度降至 4. 2k 時，水銀的直流電阻消失了，這種物質稱 為超導體，1993 年荷蘭科學家發現，當金屬轉入超導態時，原本穿過金屬的磁力線立即被排 斥出去，就叫做 Meissner 效應，顯示超導體具有完全的反磁效應， 在日常生活中我們常常會 使用到許多的電器產品，但通常使用一段時間後就會發熱 ，甚至將電器燒毀而導致火災，主 要的原因多半來至於電阻，而電線發熱所散失的能源非常可觀，人們都常常在想， 如果沒有 電阻，是不是能源的利用就可以達到百分之百的利用。
貳●正文
導體處於臨界溫度〈critical temperature，Tc 〉以下具有超導現象 ，主要的超導現象為零電阻 和反磁性。
一、零電阻：
是指電流通暢時無阻力的現象，也就是產生永久電流〈persistent current〉，但在超導體內引發 的電流，有其上限〈稱為臨界電流〉，超過此上限，超導態立即消失。
二、反磁性：
將超導體放入磁場中，將其內部的磁場完全排除，其內部的磁通量〈magnetic flux〉保持零電 阻，因此若將一超導體放在一個普通的磁體上方，則會因為排斥作用而懸浮在空中。
圖一：零電阻 圖二：反磁性
（資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，http://www.chemedu. ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconductor/
超導體的概念及人們尋找超導體的過程，超導體顧名思義就是通電流後沒有能量耗散體 ，它 是由於大量配對電子凝結到一個“步調一致”的相干態後，其運動不受晶格散射的結果，1911 年荷蘭科學家昂納斯發現水銀的超導現象後，人們一直都期望能找到溫室超導體，1986 年年 底，瑞士的倍諾茲博士和米勒博士首先在原來不曾想到的氧化物中找到了轉變溫度為 30K 以 上的超導體 ，在世界上掀起了一場對高溫超導電性的追逐，目前氧化物超導體的轉變溫度已 經高達 130 多 K，在某些方面的應用已經嶄頭露角 ，但由於其自身的特點，氧化物超導體在 很多方面的應用受到限制，這一新型超導體的發現及其性質、機理與應用前景，2001 年３月 初，日本科學家報導二元材料二硼化鎂在３９Ｋ左右表現出超導的特性，這個發現迅速的激 起了全世界範圍內的一股研究熱潮，對於二硼化鎂超導體性質研究進展非常地迅速，對於二 硼化鎂超導體機理的任務也不對深化。
理論計算表民，在二硼化鎂中有不只一個能帶跨越費米麵，而且電聲耦合成所造成的廢米麵 失穩完全可能在兩個能帶的費米麵處產生能隙，這一點是二硼化鎂超導體與傳統超導體非常 不同之處，有關兩個能隙的圖像後來被比熱、核磁共振、電子隧道譜和腳分辨光電子譜的實 驗廣泛證實。有關兩個能隙是如何形成的以及它如何影響超導特性是目前有關二硼化鎂超導 體研究的熱點。二硼化鎂超導體在應用上的契機更讓人激動，首先這個超導體在２０Ｋ左右 的溫度，在８萬倍於地球磁場的情況下可以承載很大的超導電流而且能耗極低，二硼化鎂材 料的價格很低，而且遠比陶瓷特性的氧化物高溫超導體容易家工成形，此外，二硼化鎂超導 體的超導相干長度較長，容易製備出超導量子干涉器件用於微弱電磁信號的檢測，在大地探 礦、醫療儀器、環境和軍事方面的應用具有廣泛應用前景。
利用超導體的兩大特性─零電阻與反磁性，在目前已有許多不同方式的應用，對數種較具代 表性的作介紹。
(一)、磁浮與磁浮列車
超導體的反磁性類似磁鐵的相斥性，但其發出的磁力更強，故可以應用於需產生大磁場之裝 置，利用超導體的磁力可以將一個人輕易抬起，甚至舉起一位相撲力士也是勝任愉快當然超 導體的反磁性並不僅只有這種用途而已，如果將其至於火車車體內部，而在軌道上佈置電磁 鐵則便成為磁浮列車，由於與地面沒有接觸，磁浮列車沒有一般列車會所遭遇到的摩擦力問 題，其速度可較傳統列車高，目前紀錄由日本的磁浮列車所創下，為每小時５１７公里，雖 然利用一般電磁鐵的相吸相斥亦可製造磁浮列車，但配置有超高溫超導體的磁浮列車由於磁 力較強，故可以浮的較高；一般僅使用電磁鐵的磁浮列車其離地面高度僅１公分，而採用超 導體可達到１０公分，於實際應用上，此種差異會造成相當大的影響；若列車運行時遭遇地 震，離地１０公分的磁浮列車自然會較離地僅１公分高的磁浮列車安全許多，在這方面高溫 超導體的優點可說十分顯著，特別是在位於地震帶的台灣，如果想利用磁浮列車作為交通運 輸工具，利用超導體的磁浮列車絕對是不二選擇。
圖三：利用反磁性做成的磁鐵，可將力士舉起 圖四：利用超導做成的磁浮列車
（資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，http://www.chemedu.ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconductor/s uperconductor.htm）
(二)、超導導線
利用超導體零電阻的特性 ，可用於製作超導導線，利用此種導線作為電力傳輸線或能源儲存 裝置，可有效減少能量之損耗，為其價格仍高，故目前僅有應用於超導線圈 、磁鐵等其他科 學上之應用。
圖五：超導導線(含 2120 根微米直徑之鈮鈦合金纖維)
（資料來源 ：奇妙的超導世界 。檢索日期：2008/02/14，http://www.chemedu. ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconduct
使用超導線圈所組成的超導磁鐵，其電流密度及磁場均勻較一般為強，可作為高功率的能量 產生裝置，由於在同樣的體積重量下其功率較高，如作為太空計畫之能量供應源則可以增加 酬載量，深具發展之潛力。
圖六：超導體發電機，擁有兩萬千瓦的功率（資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，htt p://www.chemedu.ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconductor/superconductor.htm）
(四)、超導電磁動力船
利用磁體電力學，藉由電解海水產生之電流，與船體下方垂直於電流方向的磁場作用，可對 海水產生水平推進的電磁力，推動海水而使船身前進，推進洞力所需之強大磁場義是由超導 磁鐵所提供，此種實驗船以於日本有頗為成功之測試。
(五)、超導量子干涉儀
超導線圈於超導態時對外在磁場的改變會有相對應的電流變化，此種變化較一般磁性物質都 來的靈敏，因此可利用來感測外部磁場的變化 ，超導量子干涉(SuperconductingQuantumInterfe rence Device ; SQUID)即是利用此種原理所製成的磁量測儀器，其設計為將樣品置於超導線圈 內，施加一磁場，而後讓樣品往復進出線圈，樣品若對磁場有所感應 ，則會對週遭的磁場產 生影響，而這種影響可由超導線圈的電流變化得知，進而得知樣品的磁特性。
圖七：神戶港內之 Yamato-I 超導電磁動力船（資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，htt p://www.chemedu.ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconductor/superconductor.htm）
圖八：超導量子干涉儀(資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，http://www.chemedu.ch.tw.ntu.ed u.tw/lecture/superconductor/superconductor.htm）
超導體除了在學術、能源及運輸等方面的用途之外，在醫療方面也有所貢獻 ，核磁共振顯像 (Magnetic Resonance Imaging ; MRI)即為一例， 核磁共振斷層掃描儀其原理乃是利用核磁共振 原理，觀察體內某一種原子核的變化分布(主要是氫原子)，將結果顯像為人體斷層掃描圖，以 觀察身體中病灶組織的變化。引起原子的核磁共振現象需要一磁場，又掃描解析度的值與磁 場的強弱成正比，在此種考量下具強大磁場的超導磁鐵當然是不二人選，配置有超導磁鐵的 核磁共振斷層掃描儀，可產生高解析的人體斷層掃描圖。此外，類似的核磁共振儀裝置也被 用於科學分析上，可對有機物之組成或固態物質之鍵結作一有效精確的量測。
合成超導體等固態物質之方法主要分為兩大類：固態反應及化學合成法。
((((表一表一表一)))) 表一 固態反應法
固態反應法固態反應法
固態反應法 將合成超導體所需之金屬氧化物或以碳酸鹽按所需比例混合將合成超導體所需之金屬氧化物或以碳酸鹽按所需比例混合將合成超導體所需之金屬氧化物或以碳酸鹽按所需比例混合將合成超導體所需之金屬氧化物或以碳酸鹽按所需比例混合，，，加以研磨均勻，加以研磨均勻加以研磨均勻加以研磨均勻，，，放，放放放 入高溫爐中鍛燒燒結
入高溫爐中鍛燒燒結 入高溫爐中鍛燒燒結
入高溫爐中鍛燒燒結，，，，便可合成超導體便可合成超導體便可合成超導體便可合成超導體。。。。 化學合成法
化學合成法化學合成法
化學合成法 化學合成可分為許多不同的方法化學合成可分為許多不同的方法化學合成可分為許多不同的方法化學合成可分為許多不同的方法，，，，以下僅以介紹代表性的數種以下僅以介紹代表性的數種以下僅以介紹代表性的數種以下僅以介紹代表性的數種((((如表二如表二如表二如表二))))
(資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，http://www.chemedu.ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconductor/su perconductor.htm）
((((表二表二表二)))) 表二 共沉澱法共沉澱法共沉澱法
共沉澱法 原料採用金屬硝酸鹽原料採用金屬硝酸鹽原料採用金屬硝酸鹽原料採用金屬硝酸鹽，，，將其溶入水中，將其溶入水中將其溶入水中將其溶入水中，，，，加入適當的反應劑加入適當的反應劑加入適當的反應劑((((例如三乙基胺加入適當的反應劑例如三乙基胺例如三乙基胺例如三乙基胺))))後後後後 ，，，加，加加加 入酸調整至適當之
入酸調整至適當之 入酸調整至適當之
入酸調整至適當之 phphph 值ph值值值，，，， 使所有金屬離子可以完全沉澱使所有金屬離子可以完全沉澱使所有金屬離子可以完全沉澱使所有金屬離子可以完全沉澱 ，，，，待完全沉澱後將沉澱待完全沉澱後將沉澱待完全沉澱後將沉澱待完全沉澱後將沉澱 物烘乾並放入高溫爐中鍛燒燒結
物烘乾並放入高溫爐中鍛燒燒結 物烘乾並放入高溫爐中鍛燒燒結
物烘乾並放入高溫爐中鍛燒燒結，，，，即可得到超導體即可得到超導體即可得到超導體即可得到超導體。。。。((((註一註一註一註一)))) 熔膠凝膠法
熔膠凝膠法熔膠凝膠法
熔膠凝膠法 原料其仍然為金屬硝酸鹽原料其仍然為金屬硝酸鹽原料其仍然為金屬硝酸鹽原料其仍然為金屬硝酸鹽 ，，，，溶入水中後溶入水中後溶入水中後溶入水中後，，，，加入檸檬酸及乙二胺等反應劑加入檸檬酸及乙二胺等反應劑加入檸檬酸及乙二胺等反應劑加入檸檬酸及乙二胺等反應劑 ，，，調整，調整調整調整 至適當之至適當之
至適當之至適當之 phphph 值ph值值值，，，，此時溶液會形成膠狀液體此時溶液會形成膠狀液體此時溶液會形成膠狀液體此時溶液會形成膠狀液體，，，，稱為溶膠稱為溶膠稱為溶膠稱為溶膠(Sol)(Sol)(Sol)(Sol)，，，，然將其加熱濃縮然將其加熱濃縮然將其加熱濃縮然將其加熱濃縮 ，，，， 待待
待待大部分水分消失後溶膠即轉變為更加濃稠之膠狀物質大部分水分消失後溶膠即轉變為更加濃稠之膠狀物質大部分水分消失後溶膠即轉變為更加濃稠之膠狀物質大部分水分消失後溶膠即轉變為更加濃稠之膠狀物質 ，，，稱為凝膠，稱為凝膠稱為凝膠(Gel)稱為凝膠(Gel)(Gel)，(Gel)，，，將此將此將此將此 凝膠至於高溫爐中鍛燒燒結所得即為所需之超導體
凝膠至於高溫爐中鍛燒燒結所得即為所需之超導體 凝膠至於高溫爐中鍛燒燒結所得即為所需之超導體
凝膠至於高溫爐中鍛燒燒結所得即為所需之超導體。。。。((((註一註一註一註一))))
(資料來源：奇妙的超導世界。檢索日期：2008/02/14，http://www.chemedu.ch.tw.ntu.edu.tw/lecture/superconductor/su perconductor.htm）
一般來說，固態反應法所需之步驟較少，合成比較容易；但由於原料混合並非十分均勻，因 此混合之超導體其組成變化較大，而超導特性較差，化學合成法通常需要比較多的步驟合成 樣品，且溫度、pH 值等條件均需控制，合成上比較不易，但其金屬離子之混合乃於容易中進 行，可是唯一原子級的混合過程，混合均勻度較固態反應法佳，所以合成超導體成分一致且 具較佳特性，因此，雖然化學合成法較不易控制條件，但由於所合成之超導體特性較佳，目 前研究均朝此方向發展。
参●結論
超導體就以現今的角度來觀察，開發的程度已經達到有一定的程度， 但仍然有些理論還仍未 被現今人類了解，如 BCS 理論，由於發表年代已經久遠，近年來已發現既有的問題，改善錯 誤，可使得 BCS 理論理論更加完整，若將 BCS 理論科學加以改善，且將應用研究的步分修正 完成，那麼超導材料的新時代很快就會降臨 ，透過電視以及網路資訊發現人類的生活越來越 科技化了，能源也可以達到充分的利用也節省很多不必要的資源，傳統電路主要問題之一就 是它會過熱，當電路過熱之後，它們的電阻也會隨之增高，而半導體的動作將完全走樣，而 載有訊息的電流也變的不穩定，除此之外，如果電路排的太過於緊密，也很可能因為過熱而 融化，每年都會有更具超導性的新材料 ，超導性(super comductive)材料就不會損失太多的能 量，能在不需顧慮電阻及過熱等狀況下來傳送電流，這樣就不用擔心到電線走火而發生的火 災了。
肆●引註資料
《註一》高嵩俊，劉如熹，余瑞琳，奇妙的超導世界，http//www.comedu.ch.ntu.edu.tw/lecture/s uperconductor/superconductor.htm。
《註二》何建民，低溫、超導、磁浮。台灣書店。
《註三》靜宜大學應化係善化實驗。超導體製作實驗。
《註四》奈米科技研發中心。低溫超導體，http//www.ntrc.itri.org.tw/dict/content.jsp?newsidm。
