超導(dǎo)及其應(yīng)用

1、04 超導(dǎo)極其應(yīng)用【教學(xué)目的】1、知道什么是超導(dǎo)現(xiàn)象，了解相關(guān)名詞2、了解超導(dǎo)的歷史，知道一些重要的物理事件3、知道超導(dǎo)的應(yīng)用，激發(fā)勇于探索前沿科技的精神【教學(xué)重點】超導(dǎo)現(xiàn)象和應(yīng)用【教學(xué)難點】轉(zhuǎn)變溫度TC和材料的必然聯(lián)系【教具】投影儀【教學(xué)過程】從導(dǎo)電性的角度，我們把材料分為導(dǎo)體、絕緣體，還有半導(dǎo)體。那么，還有沒有導(dǎo)電性更為奇特的材料呢？、復(fù)習引入金屬導(dǎo)體的電阻率一般都會隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低，當溫度降到足夠低的時候，情形會怎樣呢？前面我們從理論的角度解釋電阻定律時曾經(jīng)說過，促使電子定向移動的因素是什么？學(xué)生：電場力。制約電子定向移動的微觀因素是什么？學(xué)生：電子的熱運動。那

2、么我們是不是可以這樣認為，當溫度足夠低，熱運動很微弱的時候，電子受到的阻礙作用會非常非常小呢？下面大家從事實的角度、歷史的角度、材料的角度，還有應(yīng)用的角度閱讀一下教材P156157的內(nèi)容，閱讀完畢后，請同學(xué)們作相關(guān)的總結(jié)學(xué)生閱讀學(xué)生總結(jié)一、超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象：大多數(shù)金屬在溫度降到某一數(shù)值時，都會出現(xiàn)電阻突然降為零的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變溫度：導(dǎo)體由常態(tài)轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)狀態(tài)的溫度，用TC表示。*兩種類型的超導(dǎo)體：a、常規(guī)金屬超導(dǎo)體；b、合金超導(dǎo)體，有兩各轉(zhuǎn)變溫度，而且在兩個轉(zhuǎn)變溫度之間，磁效應(yīng)和電效應(yīng)會出現(xiàn)“不一致”的情形。二、超導(dǎo)的歷史年份科學(xué)家材料轉(zhuǎn)變溫度TC1911（荷）昂尼斯汞4.2K至1986上半年23K1

3、986年7月鑭鋇銅氧化物35K1987年2月美、中釔鋇銅氧化物90K1992年初125K*三、超導(dǎo)的相關(guān)研究1、邁斯納效應(yīng)把溫度T < Tc的超導(dǎo)體放入磁感應(yīng)強度為B0<BC的外磁場中，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁應(yīng)強度等于0；如果是在T < Tc時，加B0<BC的外磁場，再降溫到TC以下時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強度B也變?yōu)?，即磁場被“排擠”出超導(dǎo)體外這表明超導(dǎo)體是“完全抗磁體”，超導(dǎo)體的完全抗磁效應(yīng)是邁斯納和奧森費爾德在1933年發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在稱為邁斯納效應(yīng)。2、約瑟夫森效應(yīng)（超導(dǎo)隧道效應(yīng)）1962年，英國劍橋大學(xué)的研究生約瑟夫森從理論上預(yù)言：當兩塊超導(dǎo)體（S）之間用很薄（1030）的

4、氧化物絕緣層（I）隔開，形成SIS結(jié)構(gòu)，將出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)這種結(jié)構(gòu)稱為隧道結(jié)，即使在結(jié)的兩端電壓為0時，也可以存在超導(dǎo)電流這種超導(dǎo)隧道效應(yīng)現(xiàn)在稱為約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森從結(jié)論上證明超導(dǎo)隧道結(jié)的一些奇特性質(zhì)例如，當兩端電壓V不等于0時，會出現(xiàn)一個高頻振蕩的超導(dǎo)電流，它的頻率f滿足關(guān)系式f = V其中e為基本電荷，h為普朗克恒量這時隧道結(jié)好像一根能輻射電磁波的天線；反之，當頻為f1的外界電磁波輻射到結(jié)上時，它的能量會被結(jié)吸收，從而在直流I-V 曲線上引起一系列電流臺階，如右圖所示，其中第n個臺階處的電壓滿足關(guān)系式Vn = f1約瑟夫森的預(yù)言不久就被實驗證實，這為一門新學(xué)科超導(dǎo)電子學(xué)奠定了基礎(chǔ)，他因此

5、而獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎3、同位素效應(yīng)1950年，麥克斯韋和雷諾等人用實驗證明，臨界溫度TC與樣品的同位素質(zhì)量M 有關(guān)，M 越大，TC 越低，其關(guān)系可以用近似公式TC = 常數(shù)來表示，這說明超導(dǎo)現(xiàn)象的形成與原子核的質(zhì)量有關(guān)。4、超導(dǎo)體比熱在臨界溫度的不連續(xù)性實驗表明，超導(dǎo)體在臨界溫度TC時，比熱發(fā)生不連續(xù)的變化，超導(dǎo)態(tài)的比熱大于正常態(tài)的比熱，但從正常相變?yōu)槌瑢?dǎo)相時，沒有吸收或放出潛熱，這稱為第二類相變。四、超導(dǎo)的應(yīng)用1、優(yōu)越的超導(dǎo)電機普通發(fā)電機組中的材料載流量十分有限，由于電路中有電阻，總要發(fā)熱，因此既不經(jīng)濟又不安全。用超導(dǎo)體制造電機，完全不發(fā)熱，可以提高載流量，據(jù)專家計算，用超導(dǎo)體制作

6、電機，功率可以提高幾十倍。2、省電的超導(dǎo)電路普通的電路由于輸電線的耗能嚴重，必須經(jīng)過升壓、降壓的程序，而且也不可能作到完全不損耗。超導(dǎo)體導(dǎo)線則能完全解決這個問題。3、精密的超導(dǎo)儀器一些精密的儀器，如核磁共振儀、電子顯微鏡等對磁場有非常嚴格的要求（強度要高、穩(wěn)定性要高、磁感線分布要理想，有時還要求很大的尺寸），普通的材料很難達到要求，超導(dǎo)則能解決這個問題。4、神速的超導(dǎo)計算機把超導(dǎo)體應(yīng)用于計算機將會迎來科學(xué)史上的一次重大革命。理論研究表明：應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)制成超導(dǎo)器件，其開關(guān)速度可以比當前使用的半導(dǎo)體集成電路快十幾二十幾倍，而且它消耗的電能只有現(xiàn)在普通計算機的1% 。5、超導(dǎo)磁懸浮列車在超導(dǎo)磁懸

7、浮列車的研究中走在最前列十日本。1962年，日本著手設(shè)計磁懸浮列車，但當時是利用正常導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場時速達到307.8km/h ，1997年，日本又試制了超導(dǎo)磁懸浮列車，關(guān)鍵部分是由兩組超導(dǎo)電磁鐵構(gòu)成的，它們能提供極強的磁場，使列車的速度達到500km/h 。四、小結(jié)本節(jié)講了超導(dǎo)的概念、名詞，相關(guān)的物理學(xué)史，展望了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。值得注意的是，超導(dǎo)是一門前沿科學(xué)，還不是很成熟。大家通過學(xué)習也看到了，超導(dǎo)要真正走上產(chǎn)業(yè)化，道路還比較漫長，所以還有待我們積蓄實力、挑戰(zhàn)未來。希望同學(xué)們樹立遠大志向，爭取能夠在不久的將來改寫歷史。五、作業(yè)布置閱讀教材；上網(wǎng)查詢有關(guān)超導(dǎo)的內(nèi)容；學(xué)海導(dǎo)航物理（下）P78“鞏固提升”A組，做在書上【板書設(shè)計】見帶框字符，即是板書計劃?！窘毯蟾小俊鹃喿x】磁場對超導(dǎo)體的影響磁場對超導(dǎo)體的影響與超導(dǎo)體的材料有關(guān)（1）外加磁場強度超過一定值時，可以破壞超導(dǎo)電性破壞超導(dǎo)體所需的最小磁場叫臨界磁場其磁感應(yīng)強度用BC表示，用BC0表示絕對零度時的臨界磁場，則大多數(shù)金屬超導(dǎo)體的臨界磁場BC與溫度T 的近似關(guān)系是： （3）磁致超導(dǎo)性1962年，物理理論家V·Jacar