§§§第一节卡麦林·昂纳斯的故事
荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯（H.Kamerling Onnes）是1913 年诺贝尔物理奖的获得者，这是为了表彰他制取液氮的低温技术，但他更大的贡献却是发现了超导现象。这一发现直至现在，甚至下个世纪都将对民界产生重大影响。昂纳斯无愧于诺贝尔科学奖的殊荣。
20世纪初，物理学家进行了一场获取低温的竞赛。
从分子运动的角度看，气体压力是分子碰撞容器壁的结果，而温度是气体分子动能的量度，所以，温度是没有上限的，却有下限，那就是当气体分子都停止运动时的温度。那么，这个温度是多少呢？
实验测出，如果保持气体体积不变，把气体从摄氏零度冷却，温度每下降一度，压强降低273 分之一。由此推算，当气体压力为零时分子也就停止了运动，这时的温度就是低温的极限。英国物理学家开尔文勋爵建议用这个温度作为温度的起点，仍然用摄氏温度的温度间隔，也就是把水从冰点到沸点间的温差分为100等分每个等分为一度。这个温标称开氏温度，也称绝对温标，用这个温标表示的温度称绝对温度，用大写字母K 表示。
把气体变成液体就能得到低温，比如，你可以把物体浸在液氮里，它就被冷却到液氮的沸点-195℃以下。而且每种气体都必须冷却到一定的温度以下才能被液化，所以，气体液化和低温技术自始至终是密切相关的。
19 世纪下半叶，当时已知的气体除氢以外几乎都被液化了。是苏格兰科学家杜瓦完成了氢气液化这一工作。杜瓦把装着压缩氢气的容器浸在液氮里，将压缩氢气冷到零下200℃，再让这瓶极冷的氢气减压，通到一个大的容器里，气体体积迅速增大时就吸收热量，进一步冷却。然后再将氢气用管子引回来，压缩到容器里，冷却，再膨胀，进一步降温。反复循环这种压缩——膨胀的过程，终于在大约-240℃时，氢气变成了液体。次年，杜瓦使液氢减压蒸发，进一步降温，液氢凝固变成了固态氢。
杜瓦是第一个得到液氢和固态氢的人，也是第一个获得-253℃和-259℃的人。杜瓦还发明了特殊的镀银玻璃瓶来保存他的超冷液体。这种玻璃瓶有两层，中间抽真空，细长的瓶颈上端有一个小口，叫做杜瓦瓶，至今还在物理、化学等许多实验室使用。杜瓦瓶还是现在家用热水瓶的前身。
1908 年7 月，在荷兰莱顿大学，昂纳斯教授开始了他准备十年之久的试验，这就是把当时称为“永久气体”的氦气液化。
昂纳斯具有卓越的组织能力和指挥才能，他的实验准备完善而且周密。
他和他的同事们安装制造了大型气体液化装置，能够大量制取液态空气直到液态氢，提供一系列的低温环境；液态乙烯能达到-145℃，液态氧能达到-183℃，液态氢能达到-253℃。
实验从上午十点开始，他们先用前天准备好的液态空气冷却高压氢气，利用高压氢气在体积膨胀时的吸热效应来使氢气液化。这个步骤花了半天时间。
得到了足够的液态氢以后，再把装有高压氦气的容器放到液体氢中冷却到零下250℃，开启高压容器的阀门，使高压氦气喷射到另一个低压容器中，显然，这是一个典型的绝热膨胀过程。由于这个喷射，氦气的分子运动能进一步减小，温度进一步降低。开始，这个试验并不太顺利，并没有得到所期望的液态氦，直到液氢全部用完，准备结束实验时，才在低温恒温器中发现了液氦的液面。
这是人类第一次将氦气液化，也是人类第一次把最低温度降到接近绝对零度，开辟了低温研究的新纪元。
昂纳斯没有满足于他的成功，立即着手进行物质在超低温下的性质的研究。在此之前，杜瓦教授获得液氢温度后，也研究过金属在低温时的导电性。
据说杜瓦教授在被竞争对手超过以后，感到心灰意冷，不久就放弃了他的低温物理研究，无法与昂纳斯教授分享低温物理研究中的成功与荣誉。鲁迅先生主张“不耻最后”，赞扬那些落在最后仍然能够坚持跑到终点的选手，含意十分深远。我们做每一件事，都应该“不耻最后”，坚持到底。
昂纳斯和他的学生们首先测定白金丝在低温下的电阻，发现随着温度的降低，铂丝的电阻不断减小，当接近绝对零度时，电阻减小到某一定值就不再减小。这个电阻值就叫残余电阻。昂纳斯认为残余电阻是金属中的杂质引起的，就改用黄金丝做实验，因为黄金容易达到更高的纯度。实验测得黄金的残余电阻果然比白金小得多。后来，昂纳斯又选用水银做实验，因为水银在常温下是液体，可以通过蒸馏来提纯，蒸馏在实验室是很容易实现的操作，经过多次蒸馏后，可以达到很高的纯度。当测量水银的电阻时，随着温度下降，水银的电阻也变小，当温度降到4.2K 附近时，电阻突然消失。这是一个前所未有的发现，昂纳斯本人也大为吃惊，他并没有将实验结果立即发表，而是提高精度，反复试验，证明结果准确无误。1911 年，他把结果报告给荷兰皇家科学院，1913 年，把这个结果公开发表。在这篇论文里，昂纳斯首次使用Super conductivity 一词来描述他所发现的现象。Super 意为“超”，Conductivety 意为“传导”，这就是“超导”一词的由来。用来描述物质导电能力的物理量是电导，电导是电阻的倒数，电阻趋近零，意味着电导无穷大。所以，“超导”一词也并没有夸张的意味。
也有人提出，“超导”也可能理解为光、热的传导，建议使用“超电导”来代替它。但实际上，由于约定俗成，大家都知道“超导”指的是超电导，所以仍然使用超导一词。
昂纳斯还设计了十分巧妙的实验来证明超导现象的存在，他把铅制圆圈放进杜瓦瓶里，瓶外放一块磁块，把液氦倒入杜瓦瓶，使铅冷却成超导体（这时他已经知道铅在液氦中是超导体），这时，把瓶外的磁块铁突然拿掉，由于导体切割磁力线在铅圈中产生了感生电流，这个电流应该持久不息，这就是有名的持久电流实验。
以后，很多人用更精确的方法重复了这个实验，1954 年3 月5 日，斯坦福大学做的一次实验，在长达两年半的时间，持续电流未见减弱，直到1956年9 月6 日，由于液氦供应中断，实验才告中止。费勒等用更精确的核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，推算出超导电流衰变时间在十万年以上，就是说，只要保持导体的超导状态，其中的电流至少可以流动十万年！
临界温度和临界磁场
水银在温度下降至4.2K 附近变成超导体，当温度超过4.2K 时，水银的超导性消失，又转变为普通导体，这个超导转变温度叫临界温度。昂纳斯发现，铅在7.2K 以下转变为超导体，7.2K 以上是普通导体。
显然，每一种超导体都有它自己特定的临界温度，而且超导临界温度越高越好，使用起来越方便，因为维持的温度越低，花费的钱就越多。
由持久电流实验，昂纳斯立即意识到制造超导线圈是一件很有意义的工作。因为往线圈中注入电流以后，电流流动就产生磁场，成为超导磁体，而且在超导线圈中一次注入电流就可以永久流下去，而普通线圈因为存在电阻要消耗电流，很多电能作为热量被损耗了，超导电磁铁可能会比普通电磁铁消耗少得多的电而获得更高的磁场。昂纳斯用铅制成导线，绕成线圈，在液氦冷却下，加上电流，得到了磁场。研究结果发现，磁场会破坏线圈的超导态。当磁场强度超过某一数值时，线圈就从超导体变成普通导体。由此发现了超导体的另一个重要性质：存在临界磁场。
事实上，每一种超导体都有自己的临界磁场，不管这个磁场是外加的，还是由于本身通过电流时所产生的感应磁场，当磁场强度超过超导体的临界磁场时，超导体的超导状态就被破坏，成为普通导体。
临界磁场下流过超导体的电流密度称为临界电流密度，是表征超导体性质的另一个重要参数。
例如铅的临界温度7.2K，铅在4.2K 时，临界磁场550高斯，临界电流密度150安。这就是说，当铅制线圈的导线中电流密度达到150安培时，或者线圈产生的磁场强度达到550高斯时，铅导线的超导性就会消失，转变为普通导体。这就是昂纳斯的超导电磁铁得不到强磁场的原因。
临界磁场是温度的函数，在临界温度以下时，随着温度降低而增大。在临界温度时，不需加磁场，超导体的超导性就消失，换言之，在磁场为零时实现由超导体向普通导体的转变，此时的临界磁场为零。
临界电流密度与临界磁场互相依存，它与温度的关系也是一样的。也就是在临界温度时，临界电流密度为零，随温度降低而增大。当然每一种超导体的增大趋势是各不相同的。
§§§第二节迈斯纳的发现
关于超导的研究在两次世界大战的间隙中有过一段繁荣时期，在20世纪30年代曾达到高峰，这一时期的代表人物是柏林的迈斯纳（K.W.Meissner）。
1933 年，迈斯纳通过实验发现纯净的、无应力的超导体内部的磁场为零。这是由于超导体产生了与外磁场相反的磁场，从而抵消了外磁场的作用，使内部的磁场为零，这种性质被称为完全抗磁性，按照科学界以发现者的名字命名的习惯，也称为迈斯纳效应。
所以，当把超导体放在磁场上部时，由于超导体反向磁化，产生方向相反的磁场，在超导体和外磁场间产生排斥力，甚至可以把超导体托起来浮在上面，磁悬浮列车就是依据超导体的抗磁性制成的。
当外磁场足够大，能够穿透超导体内部，超导体的抗磁性丧失了，超导体也就消失了。
所以，超导体的基本性质是超导性和完全抗磁性，表征这两个基本性质的参数是临界温度、临界磁场和临界电流密度。
在有表面电流流动的这一薄层里，磁场并不为零，而是有一定的穿透，穿透深度叫伦敦穿透深度，对决定超导体的性质有十分重要的意义。
§§§第三节阿布里科索夫的贡献
昂纳斯研制的铅制线圈超导磁场强度只有几百高斯时就受到破坏，这是由于铅临界磁场和临界电流密度太低造成的。在他之后几十年，人们也未能做成一个有实用价值的高磁场超导磁体。
事情的转机是在发现了另一类超导体以及阿布里科索夫作了科学阐述之后。这类超导体有两个临界温度，在第一个临界温度以下，它表现为超导体，当温度超过第一临界温度，尚未达到第二临界温度时，它表现为超导体与普通导体的混合态，超导部分是抗磁性的，而非超导部分则有磁场通过；当温度超过上临界磁场时，磁场完全穿透，超导体完全转变为普通导体。这种结构就好像一块藕片，中间圆孔是磁力线穿过的非超导部分，而藕块就是超导体，没有磁力线通过。
上临界磁场比下临界磁场大一个数量级，第二类超导体的发现，意味着超导体的临界温度和临界磁场增大了十倍，可能成为有实用价值的材料。
第一类超导体是由纯物质组成的，像汞、铅；第二类超导体含有杂质或合金。看来，作超导材料并不是越纯越好，不纯的才有用。不仅如此，在结构上还要有晶体缺陷，晶体错位，杂质析出物才能形成稳定的超导体。
这里的道理也不难明白。在混合态时，超导部分有电流流动，产生感应磁场，因而推动穿过非超导部分的磁力线产生移动，通过磁通涡线运动。移动的磁力线产生相反的电场，形成电阻，就会破坏超导态。幸好有前面谈到的缺陷、析出物等，这些杂质和缺陷阻止了磁通的运动，就像在磁力线上钉上钉子一样，所以称为钉扎点。钉扎点阻止磁力线运动的力称钉扎力，钉扎力越大，超导体的临界磁场就越高，临界电流越大。在制造超导线材、带材时要设法增加钉扎点，提高钉扎力。
§§§第四节磁悬浮列车
在日本的宫崎县日向市，有一条新奇的铁道线，铁道上运行的列车也是前所未有的，这种车厢安装的是橡胶轮，但不靠车轮驱动，运行时车厢浮在铁轨上方10厘米高处，因而没有车轮和铁轨撞击的轰隆声，它的速度极快，在1979 年试运行时，时速超过500公里，据推算，理论上的速度可以达到1000公里。
除日本国铁进行的试验外，德国也进行了磁悬浮高速列车试验，时速500公里，悬浮10毫米。很多国家都看好磁悬浮列车，认为它可能是未来的交通工具。
实验磁悬浮列车是为了对现在的火车进行改革。由于现在运行的火车是靠车轮和铁轨间的摩擦力前进的，现在已经有了时速300公里的高速列车，但速度不容易再提高，否则列车车轮打滑空转，高速列车已临近极限。要突破极限就必须寻求新的运行方式。磁悬浮因为列车和轨道没有接触，就没有以上的问题，而且运行时稳定、安全、不受台风等任何风力的影响。
其实磁悬浮的设想早在1911 年就由俄国人提出来了，但真正实施是在六、七十年代，主要是由于超导材料的实用化研究取得了进展。
磁悬浮列车的关键设备是安装在车上的超导磁体，超导磁体的主体是两个装在不锈钢罐（低温恒温器）的超导线圈。列车下面的轨道呈U 字形，轨道下面装有电磁线圈，这些线圈都是独立、闭合的，不用通电，由于受到列车下面的超导磁体感应而产生电流，电流使线圈产生与超导磁体相反的磁场而使列车浮起。U 字形轨道两侧装有线圈，由普通导线绕成，通交流电。由交流电引起的磁力和超导磁体互相作用产生推力驱动列车前进，前进速度与交流电频率成正比。侧壁线圈还对车厢起稳定作用：当列车车厢靠近时它产生斥力，在车厢离得太远时又产生吸引力，它把车厢拉在U 型轨道内，非常安全。
这个超导磁体的磁场强度约一万高斯，就是一特斯拉，超导线圈所用线材是铌钛合金线。
铌钛合金并不算好的超导材料，它的临界温度仅9K 左右，上临界磁场约11 特斯拉，这些指标在超导材料中实在排不上名次，但却是应用较广的超导线材。
这是因为超导线材至少会碰到三个问题。一个是前面谈到的磁通涡线运动，会破坏超导态；第二个就是所谓的磁不稳定性，一般情况下，钉扎能钉住磁通线，当外界磁场变化时，磁通线与钉扎力间的平衡被打破，为了建立新的平衡，磁通线要发生一次运动，运动产生的热又会减弱钉扎力，结果又导致磁通进一步运动，形成恶性循环，直到超导态被完全破坏。这种连锁反应又叫磁通跳跃。
