化學常識：奇妙的超導世界

1、.化學常識：奇妙的超導世界一、化學常識：奇妙的超導世界奇妙的超導世界在日常生活中大家都應該有過使用電視、電腦、電燈等電器的經歷，這些電器的出現(xiàn)也確實為生活帶來便利。然而當電器使用一段時間後，機器通常都會發(fā)熱；假設是使用時間過長，甚至還會因過熱而燒毀。造成這些問題的主要原因都來自電阻；電阻是由於當電子流過導線的內部時，被導線內部的材料阻擾其運動所造成的現(xiàn)象，而該現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的即是我們所觀察到的發(fā)熱情形。電阻所造成的發(fā)熱現(xiàn)象不僅是影響日常的使用，在能源的利用上也是一大浪費。每年因電線發(fā)熱所散失掉的能源相當可觀，故傳輸時電力公司均采用高壓傳輸方式減少耗損，但能量損失問題仍未徹底解決：傳輸線的電阻仍

2、會造成能量損失，而轉換電壓時也會產生熱，故能源的利用效率距100%仍有一段間隔 。也許有人會想：假如有一種物質沒有電阻，以這種物質為材料做導線不就可以解決之前提到的問題了嗎？聽起來似乎不大可能，但實際上確實有這種物質的存在。它，就是超導體。原理 什麼是超導體？顧名思義，超導體Superconductor是一種導電性較一般導體更佳的超級導體。當溫度低於其超導轉變溫度或稱臨界溫度Critical Temperature ; Tc時，它具有以下兩種特性 零電阻以及反磁性。零電阻於一般導體內，電子通過時會與導體內原子所構成之對稱構造晶格作用，能量部分傳遞至晶格上形成晶格振動而造成損失放熱，此為電阻之成

3、因。於金屬導體中，晶格與導電電子作用程度隨溫度上升而增加，故其電阻亦隨溫度上升；而於半導體中，溫度上升有助於產生更多導電電子，此效應大於晶格與導電電子之作用，因此溫度上升時，電阻反而下降。超導體的導電現(xiàn)象那么與一般導體不同。當溫度高於其Tc時，超導體表現(xiàn)出一般導體或半導體之特性，此時仍有電阻產生；但溫度降至Tc以下時，電子在構造中運動完全不會受到晶格之影響，亦即電阻完全消失圖一，此種現(xiàn)象即稱為零電阻Zero Resistance。反磁性有電必有磁，超導體既然具有如此特殊之電性，那麼也可能具有於不同於一般的磁特性。超導體在溫度高於其Tc時，其外加磁場可自由穿過其內部，亦即超導體內部可有磁場存在；

4、但溫度低於Tc時，那么超導體內之磁場便全被排出其內部，成為一零磁場狀態(tài)，即為反磁性Diamagnetism。此現(xiàn)象於1933年為Meissner發(fā)現(xiàn)，故稱為Meissner效應圖二。開展史 超導體的演進20世紀初期，低溫物理的開展由於液化氦氣技術的創(chuàng)造，使得低溫研究更進一步地延伸到1 K左右的區(qū)域。當時對低溫下金屬所表現(xiàn)的電性仍不清楚，以致各研究群慨法不一，因此許多科學家均積極進展實驗來觀察分析金屬於低溫下的變化。在這些研究群中，位於荷蘭的萊登實驗室也是其中之一，而他們在1911年的發(fā)現(xiàn)那么開啟了超導體研究的序幕。西元1911年時，萊登實驗室的Kamerlingh-Onnes等人已將許多金屬冷

5、卻至極低溫，發(fā)現(xiàn)其電阻會隨著溫度下降而下降。在這些金屬中，某一些種類其電阻在極低溫時電阻會出乎意料的驟降為零，例如水銀Hg。水銀在4.2 K以上時仍有電阻存在，但溫度再低至4.2 K以下時，電阻突然消失了！圖三，此時電阻值已低於室溫值百萬分之一以下，於1.5 K時更是僅有十億分之一，此時水銀已進入了一種新的狀態(tài)，而由於它的特殊電性，Kamerlingh-Onnes等人把此種特殊狀態(tài)下的水銀稱之為超導體。二、高考化學必備知識點：奇妙的超導世界1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林昂內斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電

6、阻的特性，由于它的特殊導電性能，卡末林昂內斯稱之為超導態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內的震動。在他之后，人們開場把處于超導狀態(tài)的導體稱之為“超導體。超導體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場。1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導體的另一個極為重要的性質，當金屬處在超導狀態(tài)時，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在于體內的磁場排斥出去。對單晶錫球進展實驗發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導態(tài)時，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線

7、似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應。后來人們還做過這樣一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小但磁性很強的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導性，這時可以看到，小磁鐵竟然分開錫盤外表，漸漸地飄起，懸浮不動。邁斯納效應有著重要的意義，它可以用來判別物質是否具有超導性。為了使超導材料有實用性，人們開場了探究高溫超導的歷程，從1911年至1986年，超導溫度由水銀的4.2K進步到23.22K0K=-273.15；K開爾文溫標，起點為絕對零度。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導溫度是30K，12月30日，又將這一紀錄刷新為40.2K，1987年1月升至43K，

8、不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導體，2020年10月10日，打破254K-19。高溫超導體獲得了宏大打破，使超導技術走向大規(guī)模應用。超導材料和超導技術有著廣闊的應用前景。超導現(xiàn)象中的邁斯納效應使人們可以用此原理制造超導列車和超導船，由于這些交通工具將在懸浮無摩擦狀態(tài)下運行，這將大大進步它們的速度和安靜性，并有效減少機械磨損。利用超導懸浮可制造無磨損軸承，將軸承轉速進步到每分鐘10萬轉以上。超導列車已于70年代成功地進展了載人可行性試驗，1987年開場，日本國開場試運行，但經常出現(xiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進入實用化階段。利用超導材料制造交通工具在技術上還存在一定的障礙，但它勢必會引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。超導材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導體那么可最大限度