Superconductors and superconducting materials are metals, ceramics, organic materials, or heavily doped semiconductor that are conduct electricity without resistance. 超電導は、特定の材料の臨界温度 (Tc) で発生します。 温度が下がると、超伝導物質の抵抗は徐々に減少し、臨界温度に達する。 この時点で抵抗は減少し、右のグラフに示すように、多くの場合ゼロになります。
現在、超電導を実現するためには、ほとんどの材料が低温および/または高圧で極めて低いエネルギー状態を実現する必要があります。 より高い温度で有効な研究用超伝導体が開発されている一方で、超伝導は通常、高価で非効率的な冷却プロセスでのみ可能です。 例えば、多くは超伝導状態に移行する際に磁場を追い出す。 これは、超伝導物質がTcで表面付近に電流を発生させ、物質内部の磁場を打ち消すマイスナー効果によるものである。 超電導体に固定した磁石がこの効果を示す。超電導体が臨界温度まで冷えると、導体から磁束が追い出され、磁石は物質の上に浮く。
マイスナー効果：臨界温度以上（左）と未満での超電導体の磁束
原理
超電導の原理はさまざまな数式で調べればわかるだろう。 まず、電流を流す超伝導体の抵抗の不足は、オームの法則、R=V/I、ここでRは抵抗、Vは電圧、Iは電流で説明することができる。 超電導材料は電圧がかかっていなくても電流を流すので、R=0です。また、電力はP=I2Rと定義されるので、超電導は電力損失を伴いません。超電導材料ではRがゼロなので、電力損失はゼロです。
これらの公式と他の超電導の原理は、以下の教育ビデオで説明しています。
Video credit: DrPhysicsA / CC BY-SA 4.0
Types
超伝導体はタイプ I とタイプ II に分類されます。 臨界温度は低く、0～10 K (それぞれ -273°C と -263°C) が一般的です。 上述したように、このタイプは臨界温度で抵抗が急激に減少し、磁場が完全に消失します（完全反磁性）。
Type I 金属は、低温で分子活動を鈍らせることによって超伝導を実現します。 BCS理論によると、これは電子ペアが分子の障害を克服することができるように、クーパー対を助長する環境を作成し、電圧をかけずに自由電子の流れにつながります。 これは、面心立方 (FCC) 単位格子の構造が非常に密であるためで、超伝導に不可欠な低温での格子振動が自由電子をクーパー対に結合させるのに失敗している。
ほとんどのタイプ II 材料は金属化合物または合金ですが、元素のバナジウム、テクネチウム、ニオブもこのグループに含まれます。 これらは、より高い臨界温度で超電導が可能である。 例えば、2015年に行われたSn8SbTe4Ba2MnCu14O28+の試験では、Tcが400K（+129℃）となり、周囲温度より100℃以上高くなったが、より一般的なタイプII物質の臨界温度は10～130Kの範囲である。 2015年現在、これらの高い臨界温度の理由について科学的なコンセンサスは得られていない。
タイプII材料も臨界温度に近づくと、タイプI材料のTcにおける急落抵抗とは対照的に、混合状態になる。
その他の分類
上記のタイプによる分類は、理論的には磁場挙動によって行われます。 タイプIの材料は、超伝導が完全に停止する臨界磁場温度が1つであり、タイプIIの材料は、その間に混合状態が存在しうる臨界磁場点が2つある。 また、超電導体を温度で分類する方法もあり、液体窒素冷却超電導以下は「低温」、それ以上は「高温」と呼ばれる。 低温材料は、ネオン、水素、ヘリウムなどの液体ガスを使用して冷却することができる。
超伝導材料の臨界温度の包括的なリストは、タイプIについてはこちら、タイプIIについてはこちらで見つけることができます。 液体窒素の沸点（約77K）以上の臨界温度を持つ物質を高温物質と呼ぶ。 グラフ中央の臨界温度の急激な上昇は、1986年と1987年に高い臨界温度をもつ銅酸化物やペロブスカイトが発見された結果である。
Product Form Factors
Superconductors and superconducting materials suppliers offers products in various different forms, some of which are listed below.
Raw superconducting materials include chemical compounds in the form of powder or crystals. 超電導粉末は、より効率的な燃料電池、ガス分離膜、リチウムイオン電池の製造に組み込まれています。
磁石は、以下で説明するように、MAGLEVおよびMRIアプリケーション、さらに顕微鏡およびNMR/EPR分光学のために生産されています。
超電導体メーカーは、ニオブベースの数式や二硼化マグネシウム（MgB2）など、特定の超電導化合物の進歩に特化することがあります。
Applications
超電導体は、超電導状態に達するために必要な大規模な冷却により広い商業スケールで利用できないです。
MAGLEV 電車は、電車とトラックの間の摩擦を実質的になくすために超伝導磁石を使用しています。 従来の電磁石を使用すると、熱損失によって膨大な量のエネルギーを浪費し、扱いにくい磁石を使用しなければなりませんが、超伝導体は優れた効率とより小さな磁石を実現します。 これらの原子や分子はエネルギーを放出し、それが検出されてグラフィック画像に形成されます。
超伝導線を使用した発電機は、実験的なテストで99％の効率評価を達成しましたが、まだ商業的に構築されていません。
規格
超伝導と超伝導体を使用した発電は、実験的にテストおよび実証されています。 例えば、
- BS EN 61788-超電導（シリーズ）
- IET-Electrodynamic theory of superconductors
- Wiley-High temperature semiconductor bulk materials
などがあります。