低温下的物理效应.ppt

物理效应及其应用 低温下的量子效应 第五讲低温下的量子效应 热运动往往掩盖量子效应 大多数量子效应都要在低温条件下观察 所以获取低温的效应是低温下量子效应的关键 绝热膨胀制冷效应 在绝热膨胀过程中 与外界无热交换 但对外做功 只得靠减小气体内能来补偿 内能减少 分子无规则运动动能减少 即温度下降 焦 汤效应 气体通过小孔有节制地从高压向低压流动的过程称为节流过程 在节流过程中气体温度随压强变化的现象称为焦耳 汤姆孙效应 节流膨胀温度下降 产生制冷效应 制冷过程都是是系统有序度增加熵减少的过程 熵排出机 第五讲低温下的量子效应 激光冷却与捕陷原子以往低温多在固体或液体系统中实现 这些系统都包含着有较强的相互作用的大量粒子 20世纪80年代 借助于激光技术获得了中性气体分子的极低温 例如 10 10K 状态 这种获得低温的方法就叫激光冷却 绝热去磁制冷效应 借助磁场使某些顺磁盐中的电子自旋磁矩排列有序 等温磁化减少熵 再进行绝热去磁 使顺磁盐的温度降低 第五讲低温下的量子效应 导体 容易导电的物体 室温下金属导体的电阻率10 8 m 10 6 m 绝缘体 不容易导电的物体 室温下绝缘的电阻率108 m 1018 m 这种低温下的零电阻现象称为超导现象 一 超导现象 Superconductivity 具有超导电性的物质叫超导体 1911年 荷兰莱顿大学的卡茂林 昂尼斯意外地发现 将汞冷却到 268 98 C时 汞的电阻突然消失 后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性 由于它的特殊导电性能 卡茂林 昂尼斯称之为超导态 卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖 这一发现引起了世界范围内的震动 在他之后 人们开始把处于超导状态的导体称之为 超导体 超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失 被称作零电阻效应 导体没有了电阻 电流流经超导体时就不发生热损耗 电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流 从而产生超强磁场 第五讲低温下的量子效应 临界温度TC 超导体电阻突然变为零的温度 TTC 为普通金属态 迄今已知 超导体的电阻率远小于10 25 cm 而00C普通导体的电阻率为1 6 10 6 cm 临界磁场HC T 磁场超过HC T 时 即使T TC 普通金属态 超导态 相平衡曲线 汞电阻随温度变化 第五讲低温下的量子效应 电流可以持续地存在下去 零电阻效应是超导态的两个基本性质之一 第五讲低温下的量子效应 具有超导电性的物质叫超导体 超导体电阻突然变为零的温度叫超导临界温度 至今已发现有28种元素 几千种合金和化合物是超导体 超导体进入超导状态时 不仅其内的电阻为零 而体内的磁场也为零 表现出完全的抗磁性 长期以来 人们发现的超导体只能在低温液氦区 4K左右 工作 这就需要许多低温设备和技术 费用很高且不方便 因而限制了超导体的应用 60年代开始 人们一直在探索把超导临界温度提高到液氮温区 77K 以上的办法 这就是高温超导研究 1986年高温超导研究取得了突破性的发展 科学家相继发现了许多高温超导物质 现在高温超导体的临界温度已达到130K左右 使超导体已走出了液氦的阴影 为人类挖掘超导电性所隐藏的宝藏开辟了广阔的前景 第五讲低温下的量子效应 1986年4月发现钡一镧氧化物制成的陶瓷材料具有35K的转变温度 1986年12月23日日本宣布研制出37 5K的超导材料 1986年12月25号美国贝尔实验室获得40K的超导材料 1986年12月26号中国科学院获得48 6K的超导材料 1987年2月16号休斯顿大学美籍华人朱经武获得98K的超导材料 1987年2月14号中国物理学家赵忠贤获得110K的超导材料 1987年3月9号 日本宣布获得175K的超导材料 1987年3月 中国科技大学获得215K的超导材料 1933年 荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质 当金属处在超导状态时 这一超导体内的磁感兴强度为零 却把原来存在于体内的磁场排挤出去 对单晶锡球进行实验发现 锡球过渡到超导态时 锡球周围的磁场突然发生变化 磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了 人们将这种现象称之为 迈斯纳效应 第五讲低温下的量子效应 迈斯纳效应 完全抗磁性 金属球沿不同路径在正常态与超导态之间转换 第五讲低温下的量子效应 实验表明 不管是先降温后加磁场 还是先加磁场后降温 使金属由正常态转变为超导态时 磁场力线将全部排挤出超导体外 超导体内恒有磁感应强度B 0 这种现象称为迈斯纳效应 完全抗磁性的反映 超导悬浮 超导体内部磁场变为零时 由于电流沿超导体表面流过 这表面电流产生的磁场与外磁场抵偿的结果 第五讲低温下的量子效应 1913年翁内斯发现 当在超导线中的电流超过某一临界值时 超导线转变为正常态 1914年他又用实验表明 超导态也可以被外加磁场破坏 相应的电流称为临界电流Ic 相应的磁场称为临界磁场Hc 左图为Nb3Sn的磁场 电流与温度的关系 在无外加磁场情况下 临界电流在超导体表面所产生的磁场恰好等于临界磁场 临界电流 第五讲低温下的量子效应 BCS理论是用量子力学来描述超导体系统状态的理论 1957年 美国依利诺伊大学的物理学家巴丁 库柏和施里弗提出了这一理论 后来以三位科学家姓名第一个大写字母命名 称之为BCS理论 这一理论的核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态 即存在 电子对 称为库柏对 Cooper spairs 该理论较好地解释了超导现象 正常态的电子是互相排斥的 超导态时 电子相互作用 使电子两两相互吸引 形成电子对 称之库柏对 含有库柏对电子的金属具有较低的能态 量子力学可以说明电子对的总动量在与金属正离子碰撞时不损失 在低能态下 库柏对电子就像无阻力的流体一样易于流动 因此巴丁 库珀 施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖 特征参数 临界温度TC 临界磁场HC T 临界电流密度jc 超导电性 0 B 0 第五讲低温下的量子效应 库柏对 的产生因为金属中的电子并不完全自由 他们通过点阵相互发生相互作用 即当一个自由电子吸引邻近的点阵离子时 邻近的点阵离子会向自由电子靠拢 是晶格发生畸变 局部正电荷密度变大 局部正电荷性 吸引别的电子 仅效果是一个自由电子和另一个自由电子互相吸引 低温时两个自由电子束缚成一个集团 电子对 库柏对 在室温下 金属中不可能有大量自由电子组成稳定的电子对 因为晶格离子的无规则热运动会破坏瞬间存在的分子轨道 使自由电子不可能组成稳定的电子对 自由电子组成的电子对通过晶格运动时不受阻力 是因为当电子对中的一个电子受到晶格的散射 或偏析 而改变其动量时 另一个电子也同时要受到影响而发生相反的动量改变 其结果是自由电子组成的电子对定向运动的总动量不变 所以晶格既不能减慢也不能加快自由电子组成的电子对的定向运动 在宏观上表现为超导体对电流的电阻为零 第五讲低温下的量子效应 1962年约瑟夫森正在英国剑桥大学当研究生 他从理论上作出预言 对于超导体 绝缘层 超导体互相接触的结构 也叫S I S结构 只要绝缘层足够薄 超导体内的电子对就有可能穿透缘层势垒 导致如下效应 1 在恒定电压下 既有直流超导电流产生 也有交流超流 其频率为2eV h 2 在零电压下 有直流超流产生 这一电流对磁场非常敏感 磁场加大 电流将迅速减小 3 如果在直流电压上再叠加一交流电压 其频率为v 则会出现一零斜率的电阻区 在这个区域内电流有傅里叶成分 电压V与v的关系为2eV h nv 其中n为整数 第五讲低温下的量子效应 1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫逊推测BCS理论提到的库柏对也可通过薄绝缘层 即 电子对 能穿过薄绝缘层 隧道效应 在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过 同时还产生一些特殊的现象 如电流通过薄绝缘层无需加电压 倘若加电压 电流反而停止而产生高频振荡 这一超导物理现象称为 约瑟夫逊效应 这些预言于1963年在美国的贝尔实验室被罗威尔等人用试验证实了 约瑟夫逊效应 有力的支持了 BCS理论 约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖 二 约瑟夫森效应 第五讲低温下的量子效应 正常电子隧道 当两块金属被一个薄的绝缘体分开时 在它们之间可以有电流通过 称此金属 绝缘体 金属叠层为隧道结 电流称为隧道电流 N I N结 超导隧道 当一块金属变成一个超导体时结电阻猛烈地增加 N I S结 单电子隧道 超导隧道 相同超导体之间的隧道 双电子隧道 S I S结 三 超导技术的应用 超导技术的应用十分广泛 涉及输电 电机 交通运输 微电子和电子计算机 生物工程 医疗 军事等领域 这种新技术军民兼用 可研制出 双重 产品 将获得极大的社会效益和军事效益 第五讲低温下的量子效应 在电力工程方面的应用 超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗 因而可节省大量能源 用超导线圈储存能量在军事上有重大应用 超导线圈用于发电机和电动机可以大大提高工作效率 降低损耗 从而导致电工领域的重大变革 超导技术在交通运输方面的应用 动用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车 车辆不受地面阻力的影响 可高速运行 车速达500km h以上 若让超导磁悬浮列车在真空中运行 车速可达1600km h 利用超导体制成无摩擦轴承 用于发射火箭 可将发射速度提高3倍以上 超导技术在电子工程方面的应用 用超导技术制成各种仪器 具有灵敏度高 噪声低 反应快 损耗小等特点 如用超导量子干涉仪可确定地热 石油 各种矿藏的位置和储量 并可用于地震预报 第五讲低温下的量子效应 超导技术在生物医疗方面的应用 超导磁体在医学上的重要应用是核磁共振成像技术 可分辨早期肿瘤癌细胞等 还可做心电图 脑磁图 肺磁图 研究气功原理等 超导技术在军事上的应用 超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展 超导发电机 推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力 在航海中的应用 可大大减小甚至没有噪音 推进速度快 可大大提高舰艇的生存 作战能力 超导计算机应用于C3I指挥系统 可使作战指挥能力迅速改善提高等等 随着超导技术的不断发展 高温氧化物超导材料和有机物超导材料将不断问世 目前超导还只应用在科学实验和高技术中 例如中国科学院合肥等离子体物理研究所 采用超导技术建成托卡马克实验装置 磁约束装置 放电300ms 电流I 150kA 使我国核聚变研究能力向前跨进一大步 第五讲低温下的量子效应 国家科委 91 国科发高字126号关于印发 超导技术战略目标汇报会纪要 的通知 中国科学院院长周光召同志说 超导是物理学 材料科学中最热门的前沿 在全世界激烈竞争的情况下 中国的科学家和研究生们 奋力拼搏 在各方面做出了很好的成绩 表示了中国科技界这部分力量是非常宝贵的 是值得我们国家引为骄傲的一支科技力量 第五讲低温下的量子效应 奇异的超导陶瓷1973年 人们发现了超导合金 铌锗合金 其临界超导温度为23 2K 该记录保持了13年 1986年 设在瑞士苏黎士的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物 镧 钡 铜 氧 具有35K的高温超导性 打破了传统 氧化物陶瓷是绝缘体 的观念 引起世界科学界的轰动 此后 科学家们争分夺秒地攻关 几乎每隔几天 就有新的研究成果出现 1986年底 美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料 其临界超导温度达到40K 液氢的 温度壁垒 40K 被跨越 1987年2月 美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇 钡 铜 氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上 液氮的禁区 77K 也奇迹般地被突破了 1987年底 铊 钡 钙 铜 氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K 从1986 1987年的短短一年多的时间里 临界超导温度竟然提高了100K以上 这在材料发展史 乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹 第五讲低温下的量子效应 国外超导材料的截面很像普通铜线线圈 可是 若用显微镜将其放大 便可观察到 在一根铜线之中填满了无数条极细的铌钛合金超导丝 将这种铜线一层一层缠绕起来 在真空中灌进足够的环氧树脂 使之牢固地固定住 便制得超导线圈 日本富士 三菱的6MVA超导发电机中所使用的 就是在3mm的方形铜线中填入数百根比头发还细 直径仅为40微米的铌钛超导合金细丝 采用这样的结构能通过大电流而毫无损耗 铌钛合金在负264 以下的超低温液氦中电阻为零 而堪称新一代材料的铌8锡并非合金而是铌和锡的化合物 这种材料具有超导特性的温度 约比铌钛合金高10 左右 并且易于设计 但是铌三锡性脆 不像铌钛合金那样能拉拔成细丝 因此 国外用铜合金 铜与锡的合金 包覆纯铌丝材 外面再用纯铜包覆制成细丝 把这种细丝置于加热炉中加热 使锡渗入铌中 形成铌3锡 第五讲低温下的量子效应 超群的超导磁体超导材料最诱人的应用是发电 输电和储能 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性 因此只需消耗极少的电能 就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场 而用常规导体做磁体 要产生这么大的磁场 需要消耗3 5兆瓦的电能及大量的冷却水 投资巨大 超导磁体可用于制作交流超导发电机 磁流体发电机和超导输电线路等 超导发电机在电力领域 利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万 6万高斯 并且几乎没有能量损失 这种发电机便是交流超导发电机 超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 10倍 达1万兆瓦 而体积却减少1 2 整机重量减轻1 3 发电效率提高50 第五讲低温下的量子效应 超导线圈制的转子浸入液氦中 为与外部隔热 可仿照保温瓶的形式 将其包覆在真空间隙内 由于转子以每分钟3600转旋转 故对支撑它的结构材料提出了特殊的性能要求 即既能经受超低温 又不被磁化 因为万一液氦漏泄 整个发电站内部就会立即冻成冰山 为此 国外采用了喷气飞机引擎用的因科内尔镍铬铁耐热耐蚀合金 或A286高镍合金 或钛合金 发电机是在定子产生的磁场中 使转子旋转而产生电流的 也可以利用水力或煤 石油 原子能等产生的蒸汽动力使转子旋转 发电机转子虽是一个巨大的线圈 若它产生的强大电流毫无损失 这就是解决制造高效率发电机的方法 正由于超导是电流损失为零的状态 所以若把其应用于线圈上 则可以达到最大限度的发电效率 第五讲低温下的量子效应 超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器从而把电力几乎无损耗地输送给用户 据统计 目前的铜或铝导线输电 约有15 的电能损耗在输电线路上 光是在中国 每年的电力损失即达1000多亿度 若改为超导输电 节省的电能相当于新建数十个大型发电厂 超导体在电力能源 超导磁体 生物 医疗科技 通信和微电子等领域有广泛的应用 在电力能源方面 包括输电电缆 线流器 电动机 发电机 变压器 超导储能系统在内的一系列超导产品将给电力的发展带来深远的影响 以至于美国能源部的专家认为 超导电力技术是21世纪电力工业唯一的高技术储备 日本专家也认为 发展超导电力技术是在21世纪保持尖端优势的关键所在 前景广阔的超导兵器 快速高效的超导通信 高度灵敏的超导探测 第五讲低温下的量子效应 超导磁悬浮列车利用超导材料的抗磁性 将超导材料放在一块永久磁体的上方 由于磁体的磁力线不能穿过超导体 磁体和超导体之间会产生排斥力 使超导体悬浮在磁体上方 利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车 利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮 由于超导盘把磁感应线排斥出去 超导盘跟磁铁之间有排斥力 结果磁铁悬浮在超导盘的上方 这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的 超导悬浮列车就是一例 让列车悬浮起来 与轨道脱离接触 这样列车在运行时的阻力降低很多 沿轨道 飞行 的速度可达500公里 小时 高温超导体发现以后 超导态可以在液氮温区 零下169度以上 出现 超导悬浮的装置更为简单 成本也大为降低 我国的西南交通大学于1994年成功地研制了高温超导悬浮实验车 上海科学院磁浮技术首席专家 上师大退休教授魏乐汉日本自1962年起就开始了直线电机推动悬浮方式列车的预研制工作 至1999年2月10日 随着在日本山梨县境内进行的5节车辆时速500公里荷重270人分编组运行试验的成功 日本超导磁浮列车的研制已近尾声 第五讲低温下的量子效应 超导核磁共振谱仪 第五讲低温下的量子效应 超导计算机高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列 但密集排列的电路在工作时会发生大量的热 而散热是超大规模集成电路面临的难题 超导计算机中的超大规模集成电路 其元件间的互连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作 不存在散热问题 同时计算机的运算速度大大提高 此外 科学家正研究用半导体和超导体来制造晶体管 甚至完全用超导体来制作晶体管 第五讲低温下的量子效应 绿色交通工具 磁悬浮列车磁悬浮列车不使用车轮 是依靠电磁作用力把车辆悬浮在轨道上方 导引与驱动车辆 除了空气摩擦之外 没有轮轨接触所带来的阻力 磁悬浮列车的推动力来自于直线电机 它的动力直接产生于列车和轨道之间 在高速行驶时就像一架超低空飞行的飞机 时速可达到500 1000千米 由于磁悬浮列车是 飞 在轨道上的 无机械接触 噪声低 而且高速 安全 平稳 不污染环境 节省能源 所以是一种理想的绿色交通工具 磁悬浮列车有两种类型 一种是日本采用的排斥式电动系统 另一种是德国开发的吸引式电磁系统 目前 日本 德国 法国 韩国