在极低温度的环境下发现某些金属存在超导电现象，即电流流动时电阻为零。这就给能源、交通等领域带来了进一步发展的极大可能性，此外还可以期望在高速计算机和精密计测等领域内得到实用。极限技术的大门现在正在打开。

什么是超导电  通常的金属线，例如铜线，当电流流过时，因存在电阻而消耗电能。除了从积极的角度利用电阻发热，可以认为这种电能消耗不是无谓的外，从节能考虑，当然希望这种消耗达到最少。一般金属在温度下降时电阻降低，通常金属冷却到绝对温度附近的极低温度时，仅残存金属的固有电阻。然而有的金属电阻会突然下降为零，显示这种特殊现象的状态就叫超导电状态。用超导电电线做成闭合线圈，实验证明在线圈中一旦流入电流，即使电流开关切断，由于没有电阻，电流也不会减弱，而将永远不停地继续流动。使用这样的超导电导线来输送大电流将没有电能损耗。几于它能产生强磁场，利用它在节能上会有显著的贡献。超导电状态温度较高的金属有铌（Nb）- 钒（V）合金及以其为中心的化合物。

超导电现象随同氦的液化成功，于1911年由昂纳斯在水银上发现，由于水银那样的金属在弱磁场下，其超导电状态就破坏了，因此不可能将这现象同实际的电磁应用相结合。到五十年代的后半期，超导电状态的温度提高了，此外可能产生强磁场的铌及其合金与化合物被发现了，超导电的应用开始一下子显露头角。因超导电的利用是以新材料的发现与开发先导的。

在极低温度下电阻突然变为零的超导电现象，在很长时间内对固体物理学是个不可思议的特殊现象，自1957年BCS理论发表以来，才得到广泛的理解。在普通金属中，电子流动因晶格缺陷、杂质的障碍受到阻力而产生电阻，甚至在极低温度下仍残存电阻。如果二个电子组成电子对，就可互相利用彼此的能量，像二个足球选手一起玩着球前进时，并不受到同伴的障碍那样，而且能不再受到障碍物的阻力而流动，因而变成超导电状态。二个裸电子间因存在库仓斥力不可能形成电子对，但因电子的负电荷使金属的离子晶格产生局部扭曲的正电场能把另一个电子吸引过来。依靠这种离子晶格的振动为媒介，二个电子就形成电子对。即一个电子球的运动轨迹会形成正电场的凹部，若有另一个电子球被吸引到那里，就形成电子对。该电子对状态决定于金属内电子能量的分布状态及电子与晶格振动间相互作用的强度。普通状态下，电阻小的铜和银反而不会形成超导电状态。另外由于在旋转方向相反的电子间才形成电子对，故电子旋转方向一致的铁等强磁性金属也难于形成超导电状态。

超导电材料的基本特性 因为形成了超导电状态，温度T、磁场H、电流密度J就必然各自存在其临界值T_c、H_c、J_c，它们在T-H-J坐标内形成一个临界面，在该面内呈超导电状态。以上三个临界值分别为其他坐标轴上变量的函数，当J和T增加时，H_c减少。从实用观点看，T_c高则容易冷却到该温度，而H_c、J_c越高则越易产生强磁场，从而增加了超导电的利用价值并能使机器小型化。所以希望这三个临界值都尽量地高。

临界温度T_c和临界磁场H_c主要决定于材料的微观电子构造。第一种超导电体——纯金属H_c极低，第二种超导电体——合金及化合物的H_c分别为H_c1和H_c2，超导电状态时保持超过10 T（1特斯拉=10，000高斯）的高的上临界磁场H_c2。这里介绍几种T_c及H_c2高的主要超导电材料。铌 - 钛（Nb-Ti），锻 - 锆（Nb-Zr）等合金材料的T_c约10 K，H_c2约11 T。铌三锡（Nb₃Sn），钒三镓（V₃Ga）等A15型化合物作为T_c高的材料而闻名。人们知道的具有15 K以上的几种化合物中，铌三锗（Nb₃Ge）具有最高的T_c-23 K。其他如Nb₃(Al、Ge)则其T_c超过氢的液化温度20.4 K。A15型化合物的H_c2超过20 T，三元的如Nb₃(Al、Ge)化合物的H_c2约40 T。其他Nb N等NaCl型化合物的T_c在15 K以上，另外chevrel型的PbMo₆S₈化合物有极高的H_c值约50 T。这样化合物材料比合金材料的T_c和H_c2约高2倍以上，但因机械性能的缺点硬而脆，到现在为止，只有铌三锡和钒三镓化合物得到实际使用。

另外临界电流密度J_c主要决定于材料的宏观金属组织，而材料的处理方法对后者有重要的影响。实用的超导电材料的J_c为1×10⁵ A/cm²的数量级。超导电材料供实际使用时，不仅要加工成细长的线材，电磁干扰对超导电状态也有影响，故要加工成极细的稳定的多芯线材，并需将铜覆被以保护之。

超导电机械的性能一般与磁场的平方成比例。铌 - 钛等合金线材在4.2 K产生的磁场约以9 T为限，化合物线材，1975年用钒三镓带材产生了约17.5 T的磁场。

合金线材比化合物线材便宜，容易加工和处理，故现在大部分的实用线材是合金线材。但为使超导电的利用容易并提高它的价值，试图在液态氢中进行超导电，而且正在进一步采用各种新的冶金学手段开发能够产生20 T以上磁场的高临界值化合物线材。

超导电应用技术的开发：

下面将叙述超导电应用的现状，六十年代初首先制作使用于内径以厘米计的物性研究用的小型电磁铁。现在这种小型电磁铁已被普遍使用了，在研究室内已可很容易地制成8 T级的电磁铁。此外这种小型电磁铁已可在15 T以上的强磁场中磁化并力图作为高精密的核磁共振装置及电子显微镜透镜用的电磁铁来使用。此外内径数十厘米的电磁铁，最近也已因开发临床用核磁共振映像电磁铁和可作贵重资源回收及污水处理的磁性分离用电磁铁，得到了应用。

内径达数米的大型超导电电磁铁的制作由于铜线材稳定化技术的进步，从六十年代后半期开始成为可能。在欧美各国制作了5 T级的氢气泡室用的电磁铁，日本根据通产省工业技术院的大型设计制作了磁流体发电用鞍形电磁铁。现在大型电磁铁开发的中心课题是核聚变反应堆用的电磁铁。在核聚变反应堆上等离子体由于使用普通的铜电磁铁，其消耗的电能将超过核聚变产生的电能石，因而必须使用超导电磁铁，其他在电能贮藏上使用的大型超导电磁铁也正在探讨中。

进入七十年代，出现了就本质言稳定性好的极细的多芯超导电线材，超导电的应用范围显著地扩展了。在发电机、高能加速器、磁悬浮列车等方面的应用相继成为现实。在超导电发电机方面制成了数万KVA的旋转式发电机，并企图制作更大型的发电机，直径达二公里的巨型同步加速器的建设也进行了。磁悬浮列车车辆已实现了500公里以上的超高速、无噪音的行驶。此外最近与核聚变反应堆等离子体加热线圈的开发等相联系，使脉冲动作可能实现的超导电电磁铁的开发也正在进行。

超导电输电使输电损失减少并可能实现高密度输电，为了解决环境问题等，在1970年曾进行了短距离电缆的试制和试验，现在正在制造长100米级的超导电输电试验装置。将来随着发电和电能贮存的超导电化，还必须考虑超导电输电的实现，为此期望开发T_c更高的超导电线材。

另外1962年发现了约瑟夫逊（Josephson）效应，在对超导电现象的基础研究作出贡献的同时，又开辟了超导电电子学的新领域。利用约瑟夫逊效应的元件在医疗诊断、地球物理、宇宙物理研究等方面捡出必要的微弱信号和在世界各国的国家电压标准上得到实用。此外约瑟夫逊元件使速度为现在迅速10倍以上的高速开关可能实现，依靠利用永久电流的贮存元件的组合有可能减少电能消耗和实现小型化。为使计算机能效率高，容量大对约瑟夫逊计算机的研制投入了大量精力。

把上述超导电的应用方向整理，可分为如下四个方面：

1. 以节能为目的使发电机、输电电缆、电能贮存等电力系统的超导电化。

2. 核聚变、磁流体发电等新能源的开发。

3. 高能加速器、磁悬浮列车、磁性分离、医学用核磁共振装置等利用强磁场的新技术开发。

4. 使用约瑟夫逊元件的大型计算机和高灵敏度计量仪器的开发。

这样超导电的应用遍及能源、输电、基础科学、资源、情报、医疗等广泛的科技领域。

相关技术的开发：还有许多相关技术对超导电的利用是必需的，其中得到极低温环境的冷冻、冷却技术的开发是不可少的，核聚变反应堆和高能加速器等需要大规模的冷冻系统，另外磁悬浮列车和约瑟夫逊计算机等也需要附属的小型冷冻系统。

这些将在另文中叙述，要求长期运转下的可靠性、高效率、节能也期望极低温度下各种计测技术的确立并在今后得到迅速的进步。此外最近依靠对冷却效率高的超流动氦冷却技术和不依赖气体的膨胀、压缩方式的磁性冷冻技术开发的关心，也正在发展新型的冷冻技术。其次在超导电机和冷冻机上使用的材料必须保持高度的性能和可靠性、长的寿命。为满足此目的，材料必须在极低温度下具有充分的强度和韧性，具有适合使用的热膨胀率、热传导率等热特性，稳定的磁性，成形加工时优良的焊接性能等。

极低温度下使用的结构材料开发的动向是：提高不锈钢的强度，提高钛合金的韧性以及开发更轻的、高强度、无涡流损失、隔热性高的非金属复合材料等。除了开发这种材料外，为了预测材料的寿命，有必要将极低温下的疲劳试验等各种材料试验方法确立并标准化。在这种材料的领域内，为根据各种用途选用不同材料，今后还有必要积累大量的材料试验数据。为了超导电机器的开发，除结构材料外还必须对极低温度下使用的性能优良的绝缘材料、隔热材料进行开发。

另外作为与超导电利用相联系的资源问题如氦的资源和超导电材料的金属资源也受到了关心。氦气作为天然气的副产品，以美届为中心生产并供给。但有必要对更广泛地区的资源探查和稳定的供应作考虑。当然在液态氢中开发可能实用的超导电材料的问题若能解决，也就不存在其他问题了。至于铌和钒等的高品位矿石在巴西和中国还蕴藏很多，有待今后进一步开发。为了能正式利用超导电，还需使品质优良的金属原料得到基本上稳定的供应。

结论   从着手研究超导电应用的开发起已过了20年，超导电利用技术作为极限技术，其正式应用还必须有许多技术贮备作为基础。但同时超导电技术已有一部分付诸实用。只要相隔十年，再回顾过去，其进步之速就已使人有隔世之感，到八十年代已在广泛的范围内达到正式实现应用的阶段。今后作为实现各种新技术及解决能源问题的关键，确实要靠超导电、极低温技术的进步。与各种用途相应的高性能的超导电材料，极低温结构材料等的开发对提高高超导电机的性能及可靠性有着直接的贡献。1982年5月在日本初次联合召开了国际低温工学会议、国际低温材料会议，在对这些技术领域的重要性重新认识的同时，对材料开发、冷冻技术等基础技术的开发以更有力的推进，成为结合各种应用技术发展的新起点。

[《日本の科学と技术》，1932年7月]