超導物質還在不斷地被發現，目前，一半的金屬元素和上千種合金和化合物具有超導電性，但是，它們的臨界轉變溫度都較低，離室溫還有很大一段差距，這也阻礙著超導材料的應用。因此，提高超導材料的臨界轉化溫度，一直都是科學家研究超導的主要目標。
二、超導的基本知識
在低溫下，隨著電阻的消失，材料已出現了一種新的狀態，這種狀態被稱作超導態，這種材料被稱為超導體。
2.1 超導體的三個臨界值
超導體具有三個臨界值，分別是臨界溫度、臨界磁場和臨界電流密度。這三個臨界值統稱為超導體的臨界條件，只有在臨界條件下，材料才會呈現超導態。
2.1.1 臨界溫度
物質降低到一定溫度後，電阻消失，呈現為超導態，而這個轉化溫度，就被稱為超導體得臨界溫度。不同的超導體有不同的臨界溫度。根據臨界溫度，還可以將超導體分為低溫超導體和高溫超導體兩類。
臨界溫度在77k以下的超導體被稱為低溫超導體。臨界溫度達到液氮溫區，也就是77k以上的超導體被稱為高溫超導體。臨界溫度是超導體十分重要的概念，臨界溫度的高低則直接限制著超導體能否被廣泛運用，所以現在科學家也正致力於提高超導體的臨界溫度。
2.1.2 臨界磁場
當超導體承受的磁場達到一定強度時，超導電性會消失，這就是超導體的臨界磁場。所以超導體的使用要在臨界磁場以下使用才可以。超導體的臨界磁場與超導體所處的溫度有關，是溫度t的函式。
不同的超導體其臨界磁場值也不同。超導體的臨界磁場值均不高，如 hg為0.04t，al的為0.
01t。臨界磁場過低也是阻礙超導體實際應用的乙個重要因素。
2.1.3 臨界電流密度
由於電流會產生磁場，所以當通過超導體的電流達到一定程度時，也會使超導體失去超導電性，即超導體存在臨界的電流密度。在實際應用中，超導體的截面積是一定的，為了方便，工程上也常用臨界電流值表示臨界電流密度。臨界電流值，是與超導材料的製備過程有關的[3]，因此，臨界電流值具有一定的範圍，隨著工藝過程的改進還會有變化。
綜上所述，超導體必須執行於臨界溫度以下，所承受的磁場和通過的電流必須小於臨界磁場和臨界電流，即超導體只在圖1所示的陰影區域內為超導態，呈現超導電性，陰影以外的區域稱為常態。
圖一超導體的超導態和常態分介面圖二超導體與一般導體的電阻—溫度特性比較
2.2 超導體三個基本特性
隨著多年來人們對超導現象的不斷探索,發現超導體具有以下三種基本性質：零電阻性、完全抗磁性和josephson 效應。
2.2.1 零電阻性
一般導體中存在的自由電子在晶格中自由運動，會和晶格或導體中的雜質原子相碰撞，而損失能量，這就是導體有電阻的原因[3]。一般導體電阻隨溫度的下降而減少。這是因為晶格的熱振動減弱，電子碰撞也因此而減少的緣故。
但是，由於晶格振動不會絕對靜止，一般說來，無論溫度多低,導體仍會存在一定的殘餘電阻。
然而，超導體中的傳導電流的超導電子是結合成對的，叫 cooper 對。 cooper對不能互相獨立地運動，而只能以關聯的形式作集體運動。當某一電子對受到擾動，就要涉及到這個電子對所在空間範圍內的所有其它電子對[4]。
這個範圍內的所有 cooper對，在動量上彼此關聯成為有序的集體，因此超導電子對在運動時，就不像其它正常電子那樣，被晶體振動散射產生電阻，從而呈現零電阻現象。圖2為超導體和一般導體的溫度—電阻特性示意圖。一般導體總存在一定的殘餘電，超導體的電阻在超導態則完全消失。
2.2.2 完全抗磁性
對於超導體，無論是先加磁場再將之冷卻到臨界溫度以下，還是冷卻到臨界溫度以下後再加磁場，超導體內部的磁場感應強度都是零。就是說，磁通線不能通過超導體，處於超導態的超導體是完全抗磁性的。這一特性使得超導體可以應用於磁懸浮以及磁遮蔽。
在理論上，可以解釋為由於超導電子cooper對的關聯效應，使外磁場很難進入，從而導致了超導體的完全抗磁效應。
2.2.3 josephson 效應
josephson 效應也被稱為cooper對的隧道效應。這一效應產生於超導體-絕緣薄-超導體形成的超導結上[3]。這種超導結有著和一般導體或半導體形成的結完全不同的電子隧道效應。
對於超導體-絕緣層-超導體互相接觸的結構，超導體內的電子對就有可能穿透絕緣層勢壘形成電流，而隧道結兩端沒有電壓，即絕緣層也成了超導體。這就是cooper對的隧道效應。
正是由於超導體具有這些特殊效應，超導技術才能引起如此多的關注，在多個領域具有非常重要的作用。
2.3 超導微觀理論
自從超導電性被發現以來，人們一直嘗試從微觀理論來解釋超導現象。具有代表性的是bcs超導理論，但是這個理論沒有辦法解釋高溫超導現象，而目前由於高溫超導的複雜性，還沒有乙個成熟的理論可以闡明高溫超導電性機制。
2.3.1 bcs 超導理論
bcs超導理論由美國科學家巴丁、庫柏提出，很好解釋了大多數超導體的超導現象。bcs 超導理論以自由電子模型為基礎建立起來的理論[5]。在 bcs 理論中，認為電子之間存在通過交換聲子產生相互吸引力，由於相互吸引，電子就會兩兩配對，形成所謂的庫柏（cooper）對。
當溫度低於超導轉變溫度時，庫柏對就會在超導體內形成，這時庫柏對可以在晶格當中無能量損耗地運動，形成超導電性。
2.3.2 高溫超導理論
高溫超導體臨界轉變溫度在液氮溫度（77k）以上。bcs 理論在解釋常規超導體超導電性獲得了巨大的成功，但是隨著高溫超導體被發現，這一理論受到了挑戰。
科學家通過大量的實驗和觀測資料分析得到[5]：高溫超導體的超導態仍是庫柏對的相干凝聚態。高溫超導體的超導電流仍然是以庫柏對為載體在超導體裡面傳播。
在 bcs 理論中，庫柏對的形成和相位相干是同時產生的，高溫超導體在低於臨界溫度時，庫柏對間形成相位相干，並發生超導凝聚，但是配對和相干凝聚不是同時發生的，這與 bcs理論完全不同。實際上由於高溫超導體的配對很複雜，其電子配對機制至今仍未解決。
三、超導技術的廣泛應用
超導體的電阻為零，超導體可通電電流密度高，比銅導線高出 2個數量級以上。這是電力系統中應用超導技術優越性的根本原因。電阻為零，不會因電阻而產生損耗。
電流密度高使得超導電力裝置普遍具有體積小、重量輕的特點，這就使得應用超導技術有巨大應用價值。
3.1 超導電纜
超導電纜具有電能損耗極小，輸電容量大，重量輕等特點。在人口稠密的城市，要擴大電力輸送容量，滿足大量的電力需要，用超導電纜替代常規的銅芯電纜就是非常好的方案。
超導電纜的結構如圖三所示，超導體帶成環狀在中間位置，外層覆蓋有保溫材料，最外層是絕緣介質和保護外套，環狀超導體帶中心是則是流動的也太氮製冷劑，可以將超導體冷卻至轉化溫度以下。
世界上首條傳輸電流最大、載流能力達10千安的高溫超導電纜在我國成功研製，這也是世界首條實現併網示範執行的高溫超導直流電纜。世界各國也都在抓緊時間研製超導電纜。
圖三超導電纜截面圖圖四超導變壓器結構示意圖
3.2 超導變壓器
如果用超導材料替代銅來作變壓器繞組，可以大大減少變壓器中的銅損。即使發生洩漏，液態氮蒸發到空氣中對環境也無害，並且變壓器工作在低溫下其使用壽命要長得多。正因為超導變壓器具有效率高、體積小、無環境汙染隱患等優點，它被公認為最有可能取代常規變壓器的高新技術。
[6]超導變壓器結構如圖四所示。採用超導材料繞制線圈，高低壓繞組均置於液態氮中，液氮冷卻溫度為77 k，而鐵芯則於處常溫下。
中國科學院電工研究所日前成功研製出我國首颱三相高溫超導變壓器樣機，並通過了檢測。該成果的輸出電流位於世界第一。
3.3 超導發電機
超導發電機具有發電效率高、重量小、尺寸小等特點。由於發電機超導轉子的磁場強度約為同容量普通發電機的 5倍左右，從而可大大減少定子鐵芯的尺寸，提高發電機的端電壓，甚至可取消公升壓變直接併入超高壓電網執行。而效率可進一步提高到 99.
5 % 以上[7]。
超導發電機的另乙個突出特點是有利於改善系統的穩定性,一般來說,發電機的電抗越小，系統就越穩定。超導發電機的電抗大約只有普通發電機的 1/4左右，因此在系統電抗相對較小時，系統的穩定極限增加了約 4倍。
3.4 超導限流器
超導限流器具有十分優越的功能。在正常狀態下，超導限流器處於超導狀態，損耗極小，而在系統發生故障時立即轉為非超導狀態，限制短路電流，維持系統穩定，當故障電流消失後又能立即恢復正常狀態。電力系統採用超導限流器後 ,系統中裝置的短路容量值可大為減少，並可擴大電網的輸送容量與規模。
圖5是一種磁遮蔽式的超導限流器的基本結構。這種限流器實質上是乙個次級繞組短路的變壓器[8]，系統電流通過初級繞組，次級繞組是乙個超導環，它所產生的磁通幾乎完全抵消了初級繞組產生的磁通，因此正常工作情況下的阻抗極小。系統故障時的短路電流將使次級的電流密度超過臨界而不再超導，不能再抵消初級繞組產生的磁通，初級繞組阻抗變大而限制了短路電流。
系統故障消失後又可恢復正常。
圖五超導限流器基本結構
3.5 超導儲能器
超導儲能是利用超導體製成的線圈，通過流過超導線圈中的直流電建立磁場，並將能量儲存於磁場中，在需要時再將此能量送回電網或用作其他用途。因為超導的直流電阻幾乎為零，所以這種能量的儲存不會有損耗，而能量的釋放速度卻非常快。由於超導儲能所儲存的是電磁能，因此它與其他形式的儲能，如蓄電池儲能、抽水儲能和飛輪儲能等相比有許多明顯的優點。
首先，由於超導儲能可長期無損耗地儲存電能，其轉換效率高達95%，其次，採用超導儲能可使電網電壓、頻率、有功和無功功率容易調節[9]。因此，超導儲能在電力工業中有廣泛的應用前景。
3.6 超導磁懸浮列車
隨著國民經濟的發展, 社會對交通運輸的要求越來越高。磁懸浮列車具有高速安全、噪音低等優點，是未來理想的交通工具。磁懸浮列車是利用磁懸浮作用使車輪與地面脫離接觸懸浮於軌道之上，並利用直線電機驅動列車運動的一種新型交通工具。
超導磁懸浮列車的設想是美國首先提出的，具體方案是在軌上安裝一系列繞組, 這些繞組從電網獲得電能並與車體內超導磁體產生的磁場相互作用，並產生推力推動列車前進，在列車靜止和低速執行時，它仍利用車輪支撐，當列車加速到一定速度時，通過鋪設在軌道上的懸浮線圈和車體內的超導磁體相互作用產生足夠的推斥力，將列車懸浮起來。
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