第4節(jié) 超導(dǎo)及其應(yīng)用

第4節(jié)超導(dǎo)及其應(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復(fù)習(xí)&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(dāng)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電場力。制約電子定向移動的微觀因素是電子的熱運(yùn)動。那么我們是不是可以這樣認(rèn)為，當(dāng)溫度足夠低，熱運(yùn)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(shí)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內(nèi)容，作相關(guān)的總結(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T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23K1986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<T的超導(dǎo)體放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B<B的外磁場中，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁應(yīng)強(qiáng)度等于0；如果是在T<T時，加B<B的外磁場，。再降溫到T以下時，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也變?yōu)?，即磁場被“排擠”C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(fèi)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(dāng)兩塊超導(dǎo)體（S）之間用很?。?0~30A）的氧化物絕緣層（I）隔開，形成S-I-S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(dāng)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=4neVh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(dāng)頻為f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.V=耍f1約瑟夫森的預(yù)言不久就被實(shí)驗證實(shí)，這為一門新學(xué)科一超導(dǎo)電子學(xué)奠定了基礎(chǔ)，他因此而獲得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(shí)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m2TC=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(shí)驗表明，超導(dǎo)體在臨界溫度T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蛳鄷r，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(jī)普通發(fā)電機(jī)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(jì)又不安全。用超導(dǎo)體制造電機(jī)，完全不發(fā)熱，可以提高載流量，據(jù)專家計算，用超導(dǎo)體制作電機(jī)，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(yán)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(yán)格的要求(強(qiáng)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(dá)到要求，超導(dǎo)則能解決這個問題。4、神速的超導(dǎo)計算機(jī)把超導(dǎo)體應(yīng)用于計算機(jī)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(dāng)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(jī)的1%。5、超導(dǎo)磁懸浮列車在超導(dǎo)磁懸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(dāng)時是利用正常導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場時速達(dá)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(qiáng)的磁場，使列車的速度達(dá)到500km/h。五、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(qiáng)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(qiáng)度用B表示，用B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?Jacarino和M?Petar預(yù)言，可能在某些物質(zhì)中會發(fā)生與外磁場破壞超導(dǎo)性相反的情形，用磁場可誘發(fā)超導(dǎo)狀態(tài).二十年后，日內(nèi)瓦大學(xué)的Fischer和他的同事們用銪化合物制造出一系列磁致超導(dǎo)體，他們所得到的材料的性質(zhì)，與理論預(yù)言精確地符合。超導(dǎo)及其應(yīng)用人類的發(fā)展史上曾經(jīng)興起過三次技術(shù)革命的風(fēng)暴，首次技術(shù)革命始于18世紀(jì)60年代，是以蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，推動了社會工業(yè)化的大革命第二次技術(shù)革命發(fā)生在19世紀(jì)70年代，是以電力的廣泛應(yīng)用和無線電通訊的發(fā)明為標(biāo)志，把全球推進(jìn)到了生產(chǎn)自動化的文明社會.第三次技術(shù)革命的掀起是在20世紀(jì)50年代以后，科學(xué)家們進(jìn)行了一些重要的實(shí)驗，以發(fā)現(xiàn)了原子結(jié)構(gòu)、電子、原子核分裂產(chǎn)生原子能、電子計算機(jī)、激光的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，把人類社會推向了高度智能化的高度文明年代隨著高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們憑著高度靈敏的科學(xué)靈感，第四次技術(shù)革命即將到來！一、超導(dǎo)現(xiàn)象1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)，水銀的電阻率并不象預(yù)料的那樣隨溫度降低逐漸減小，而是當(dāng)溫度降到4.15K附近時，水銀的電阻突然降到零.為了證實(shí)這一現(xiàn)象，他用磁鐵在水銀環(huán)路中感應(yīng)出電流，經(jīng)過長達(dá)一年多的觀察發(fā)現(xiàn)，只要水銀環(huán)路保持在4.15K的低溫，環(huán)路中的電流就不會有能測量到的衰減，電流不斷地沿著環(huán)路轉(zhuǎn)起來，就像不知疲倦的一匹馬一樣.當(dāng)溫度降到某一溫度時，金屬的電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)，叫做超導(dǎo)體.超導(dǎo)體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為這種物質(zhì)的轉(zhuǎn)變溫度(或臨界溫度)TC.現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬元素以及數(shù)以千計的合金、化合物都在不同條件下顯示出超導(dǎo)性.如鎢的轉(zhuǎn)變溫度為0.012K，鋅為0.75K，鋁為1.196K，鉛為7.193K.而且超導(dǎo)臨界溫度的紀(jì)錄不斷地被打破，例如，1975年，有人發(fā)現(xiàn)鈮三鍺的超導(dǎo)臨界溫度為23.2K.1986年，又有人發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物的超導(dǎo)臨界溫度為30K，這個現(xiàn)象引起了科學(xué)家對氧化物高溫超導(dǎo)陶瓷的高度重視.1986年12月，中國科學(xué)院的趙忠賢研究組獲得了起始轉(zhuǎn)變溫度為48.6K的鍶鑭銅氧化物.1987年2月，美籍華裔科學(xué)家、美國休斯敦大學(xué)的朱經(jīng)武教授獲得了起始轉(zhuǎn)變溫度為90K的高溫超導(dǎo)陶瓷.1987年3月，中國科學(xué)院公布了起始轉(zhuǎn)變溫度為93K的8種鋇釔銅氧化物.1988年，中國科學(xué)院發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)臨界溫度為120K的鈦鋇鈣銅氧化物.這些成就顯示了我國高溫超導(dǎo)材料的研究已經(jīng)名列世界前茅.二、超導(dǎo)的應(yīng)用超導(dǎo)體臨界溫度的提高為超導(dǎo)體的應(yīng)用開辟了廣闊前景，隨著超導(dǎo)理論的進(jìn)一步完善和發(fā)展，超導(dǎo)體新材料的繼續(xù)研制，超導(dǎo)必將對整個社會發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用.超導(dǎo)體的無電阻性在技術(shù)上有重大應(yīng)用價值.目前由于電阻熱效應(yīng)在電能傳輸中造成的損失約占總發(fā)電量的15%左右.可見，如果實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)輸電，可大大地提高電能的利用率.利用超導(dǎo)體這一性質(zhì)，可以在導(dǎo)線中通過很大的電流，使電磁鐵形成強(qiáng)大磁場.這樣就可以把大功率變壓器、大型電機(jī)的體積大大地縮小.超導(dǎo)體的無電阻性能大大地減小了微電子線路中熱噪聲，從而極大地提高電子儀器測量的靈敏度，還可以制成運(yùn)算速度更快的超導(dǎo)體電子計算機(jī).超導(dǎo)磁懸浮列車是一種高速、安全、無污染的新型列車列車是靠著互斥原理懸浮于軌道上行駛，所以摩擦阻力很小，時速可高達(dá)幾百千米以上，且磨損小，維修少，成本低，其能源消耗僅是汽車的一半.超導(dǎo)磁懸浮列車靠電力作動力運(yùn)行，在軌道沿線不排放廢氣，無污染，是一種名副其實(shí)的綠色交通工具.那么，這種列車是怎樣懸浮起來的呢？原來，在每節(jié)車廂下邊的車輪旁邊都安裝有小型超導(dǎo)磁體；在軌道兩旁埋設(shè)有一系列閉合的鋁環(huán)，在超導(dǎo)磁體的線圈中通入電流就會產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場.列車開動后，超導(dǎo)磁體相對于鋁環(huán)運(yùn)動，在鋁環(huán)里感應(yīng)出很強(qiáng)的電流，并相應(yīng)形成極強(qiáng)的磁場鋁環(huán)產(chǎn)生的磁場與車上超導(dǎo)磁體的磁場方向相反，相互排斥，使車上的超導(dǎo)磁體受到地面鋁環(huán)向上的托力，把列車凌空托起，飛似地向前駛?cè)?超導(dǎo)材料是一種新型的導(dǎo)電材料，超導(dǎo)材料的研究現(xiàn)今已有突破性的進(jìn)展，且不斷有新型超導(dǎo)材料問世.以超導(dǎo)材料為背景的超導(dǎo)輸電、磁懸浮等問題，是綜合能力測試很好的命題點(diǎn)，應(yīng)引起同學(xué)們的的重視。1911年，荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯用液氦冷卻水銀，當(dāng)溫度下降到4.2K時發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把超導(dǎo)體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應(yīng)線將從超導(dǎo)體中排出，不能通過超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁性。超導(dǎo)電性和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個重要特性。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度，叫超導(dǎo)臨界溫度。經(jīng)過科學(xué)家們數(shù)十年的努力，超導(dǎo)材料的磁電障礙已被跨越，下一個難關(guān)是突破溫度障礙，即尋求高溫超導(dǎo)材料。奇異的超導(dǎo)陶瓷1973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金一一鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K，該記錄保持了13年。1986年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭一鋇一銅一氧）具有35K的高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界科學(xué)界的轟動。此后，科學(xué)家們爭分奪秒地攻關(guān)，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現(xiàn)。1986年底，美國貝爾實(shí)驗室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K，液氫的“溫度壁壘”（40K）被跨越。1987年2月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔一鋇一銅一氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)（77K）也奇跡般地被突破了。1987年底，鉈一鋇一鈣一銅一氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從1986-1987年的短短一年多的時間里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了100K以上，這在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！高溫超導(dǎo)材料的不斷問世，為超導(dǎo)材料從實(shí)驗室走向應(yīng)用鋪平了道路。超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬?6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5?10倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機(jī)重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50%。磁流體發(fā)電機(jī)磁流體發(fā)電機(jī)同樣離不開超導(dǎo)強(qiáng)磁體的幫助。磁流體發(fā)電發(fā)電，是利用高溫導(dǎo)電性氣體（等離子體）作導(dǎo)體，并高速通過磁場強(qiáng)度為5萬?6萬高斯的強(qiáng)磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡單，用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器，從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。廣闊的超導(dǎo)應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。超導(dǎo)計算機(jī)高速計算機(jī)要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時