1935年,F·伦敦和H·伦敦两兄弟在二流体模型的基础上运用
麦克斯韦电磁理论提出了超导体的宏观电磁理论,成功地解释了超导体的零电阻现象和
迈斯纳效应。根据伦敦的理论,磁场可穿入超导体的表面层内,磁感应强度随着深入体内的深度X指数地衰减:B(x)∝e-x/λ,衰减常数λ称为穿透深度。当超导体的线度小于穿透深度时,体内的磁感应强度并不等于零,故只有当超导体的线度比穿透深度大得多时,才能把超导体看成具有完全的抗磁性。实际测量证实了存在穿透深度这一理论预言,但理论数值与实验不符。1953年A.B.皮帕德对伦敦的理论进行了修正。伦敦的理论未考虑到超导电子间的关联作用,皮帕德认为超导电子在一定空间范围内是相互关联的,并引进相干长度的概念来描述超导电子相互关联的距离(即超导电子波函数的空间范围)。皮帕德得到了与实验相符的穿透深度。
1950年,V·L·京茨堡和L·D·朗道在二级相变理论的基础上提出了超导电性的唯象理论,称为京茨堡·
朗道理论(简称GL理论)。超导态与正常态间的相互转变是二级相变(相变时无体积变化,也无相变潜热)。1937年朗道曾提出二级相变理论,认为两个相的不同全在于秩序度的不同,并引进序参量η来描述不同秩序度的两个相,η=0时为完全无序,η=1时为完全有序。GL理论把二级相变理论应用于正常态与超导态的相变过程,其独到之处是引进一个有效波函数ψ作为复数序参量,|ψ|2 则代表超导电子的数密度,应用热力学理论建立了关于ψ的京茨堡-朗道方程。根据GL理论可得到许多与实验相符的结论,例如临界磁场、相干长度及穿透深度与温度的关系等。GL理论还给出了区分第一类超导体和第二类超导体的判据。A.A.阿布里考索夫根据GL理论详细讨论了第二类超导体的基本特性。L.P.戈科夫从超导体的微观理论导出了GL方程。今把GL理论与后来阿布里考索夫和戈科夫的工作合起来称为GLAG理论。
J·巴丁、L·N·库珀和J·R·施里弗三人于1957年建立了关于超导态的
微观理论,简称
BCS理论,以费米液体为基础,在电子,
声子作用很弱的前提下建立起来的理论。它认为超导电性的起因是费米面附近的电子之间存在着通过交换声子而发生的吸引作用,由于这种吸引作用,费米面附近的电子两两结合成对,叫库珀对。BCS理论可以导出与
伦敦方程、皮帕德方程以及京茨堡-朗道方程相类似的方程,能解释大量的
超导现象和实验事实。对于某些超导体,例如汞和铅,有一些现象不能用它解释,在BCS理论的基础上发展起来的超导强耦合理论可以解释。
超导电性具有重要的应用价值,如利用在临界温度附近电阻率随温度快速变化的规律可制成灵敏的超导温度计;利用超导态的无阻效应可传输强大的电流,以制造超导磁体、
超导加速器、超导电机等;利用超导体的
磁悬浮效应可制造无摩擦轴承、悬浮列车等;利用
约瑟夫森效应制造的各种超导器件已广泛用于基本常数、电压和
磁场的测定、微波和红外线的探测,及电子学领域。高临界温度
超导材料的出现必将大大扩展超导电性的应用前景。
超导体最理想的应用是在城市商业用电输送系统当中充当电缆带材。然而由于费用过高和冷却系统难以达到现有要求导致无法实用化,但已经有部分地点进行了试运行。2001年五月,丹麦首都哥本哈根大约150,000居民使用上了由超导材料传送的生活用电。
2001年夏,Pirelli公司为底特律一个能源分局完成了可以输送1亿瓦特功率电能的三条400英尺长
高温超导电缆。这也是美国第一条将电能通过超导材料输送给用户的商用电缆。2006年7月住友商事电子在美国能源部和纽约能源研究发展委员会的支持下进行了一项示范工程——超导DI-BSCCO电缆首次入网运行。该电缆承担着70,000个家庭的供电需求并且未出现过任何问题。
利用超导体的磁悬浮效应,可以实现速度高达581km/h的
磁悬浮列车,世界上第一条磁悬浮列车建成于英格兰伯明翰。我国上海浦东机场也有一条长达30km的磁悬浮列车轨道于2003年12月投入运营。
超导体还可用来制作超导磁体,于常规磁体相比,它没有焦耳热,无需冷却;轻便:一个5T的常规磁体重达20t而超导磁体不过几千克;稳定性好、均匀度高;易于启动,能长期运转。
超导材料还可应用于超导
直流电机、变压器以及
磁流体发电机,将显著提高能效并显著减轻重量以及体积。此外
超导计算机、超导储能线圈、
核磁共振成像、超导量子干涉仪(SQUID)、开关器件、高性能滤波器、军事上的超导纳米微波天线,
电子炸弹、超导X射线检测仪、超导
光探测器以及160 Ghz的超导数字路由器等这都是非常诱人的应用项目。