【精品】高二物理 （人教大纲版）第二册 第十四章 恒定电流 四、超导及其应用(备课资料)

专心 爱心 用心 1 备课资料 一 超导 1 随着科学技术的发展 人类逐渐逼近零下 273 15 这被称为绝对零度的禁区 在 这低温世界里 物质显现出许多奇妙的特性 1911 年 荷兰科学家茂林 昂尼斯意外地发 现金属汞在零下 263 98 时电阻完全消失的现象 于是 物质的一种新的形态 超导态 被人类宣告发现了 有关专家介绍说 超导态物质指的是在一定温度下 表现出超导电性的材料 它可 以是一种元素 也可以是一种合金或金属氧化物 超导电性的重要特征是零电阻和抗磁性 因为在进入超导态时 电子是配对的 所以不散射 没有电阻 表现出一种宏观的量子状 态 抗磁性也可以看成是超导体内部磁感应强度永远等于零 目前 科研人员已经发现和 研制出了多种超导材料 包括在零下 269 时进入超导态的低温超导材料和在零下 140 至零下 190 时进入超导态的高温超导材料 高温超导材料是今后研制的方向 常用的有 钇钡铜氧系列的粉体 块材 靶材和薄膜 以及铋锶钙铜氧系列的带材等 这些高温和低温 超导材料已经被科研人员应用于经济建设中 根据超导材料零电阻的特性 科研人员研制成功了铋系高温超导输电电缆 它需要浸 泡在零下 196 的液氮中来进入超导状态 在大电流输电时只有轻微的电能损耗 也许有 一天 这种埋在地下液氮管道中的超导电缆将成为明天的输电明星 用超导带材绕制的线圈在低温环境下 由于零电阻效应 密度很大的电流可以无损耗 地流动 并形成一个很强的磁场 这就是超导磁体 超导磁体产生的磁场强度可高达 20 T 是常规磁体的十几倍 超导磁体以其体积小 重量轻 磁场强 能耗低等优点 在许多 领域取代了常规磁体 利用超导磁体制造的超导发电机超导变压时 一旦全部代替常规发电机和变压器 将 使电力工业的面貌大为改观 在单晶炉坩埚区域内 液氮浸泡着的超导磁体产生的 3000 高斯磁场 可以抑制坩埚内 熔液的热对流 降低氧和杂质的含量 控制出大直径的优质单晶硅 磷化铟等材料 用这些 材料生产的大规模集成电路和各种晶体管 是生产电子计算机等产品的关键部件 1991 年我国研制成功的医用超导核磁共振成像扫描仪 其核心是包裹在零下 269 液 氦低温环境中的超导磁体 严密的无泄露多层外壳 使这些液氦每隔半年才需要加注一次 超导磁体能产生 6000 高斯的稳定均匀磁场 因此能获得人体内氢元素的极为清晰的磁共振 信号 进而生成人体各部位多层面的图像 成为深受人们欢迎的临床检查医疗设备 不仅如此 科研人员利用不同物质在磁场中运动轨迹不同的性质 制造了超导磁分离 选矿设备 利用导电的高热气体通过超导磁体的强磁场来进行磁流体发电 利用超导磁体 的强磁场 在受控热核装置中 束缚上亿度高温下的等离子体 来进行核聚变 以产生人 类梦寐以求的能源 超导态物质已经进入了人们的生活 它们将在各个领域为人类做出贡献 2 国家超导专家委员会林良真研究员介绍说 超导态物质具有很奇特的性质 如零电 阻 完全排磁性等 完全排磁性指的是由于磁力线不能进入超导态物质的内部 因而在磁场 中就产生相应排斥的抗磁现象 如果把一块磁铁放在超导态物质上面 它就会悬浮在空中 这就是磁悬浮列车的工作原理 人们都知道 火车车轮与铁轨间的摩擦力和阻力限制了火 车的速度 磁悬浮列车正好清除了这个弊端 科研人员在列车底部及两侧倒转向上的部位安 装了电磁铁 控制电磁铁的电流 可以使电磁铁和导轨保持 10 15 mm 的间隙 从而使列车 悬浮在铁轨上面运行 这就是常导电磁吸引式磁悬浮列车 常导磁悬浮列车适合于近距离和 专心 爱心 用心 2 在城市内使用 时速一般在 100 km 左右 我国在四川青城山地区开始修建第一条常规磁悬 浮铁路 另外一种高速磁悬浮列车 是依据超导物质完全排磁性理论制造的超导电磁相斥式磁 悬浮列车 这种车的内部装有浸泡在零下 269 液氦中的超导磁体 它与凹槽铁路侧壁上 的磁悬浮线圈相互作用 使车体在轨道上浮起 100 mm 列车依靠超导直线电机作为前进的 动力 它是依靠从铁路供电系统获得电能的一系列电机电枢绕组 与车体内部的超导磁体相 互作用 产生推力 使列车的最高时速达到 500 550 km 目前 国外已经建成 14 km 试验 用超导铁路 我国的科研人员也开展了超导电磁相斥式高速磁悬浮列车的研究和试验 并 取得了可喜的科研成果 不仅如此 科研人员还在研究超导理论在汽车 飞机 船舶等交通工具上的应用形式 超导电磁推进船就是成功的实例 超导电磁推进船是依据超导电磁推进理论而研制的 根据 电磁学理论中的左手定则 当一个磁场磁力线的方向和一个电场的电流方向相互垂直时 就产生一个向后的电磁力 这就是电磁推进理论 科研人员在船身中设计了一个从船头贯穿 到船尾的纵向管道 在管道周围安装有浸泡在零下 269 液氦中的超导磁体 它能产生强 大的磁场 在管道内安装有能通过强大电流的电极 在两者作用下产生的电磁力 把从船 头进入纵向管道的海水加速后 再从船尾喷出 推动船只前进 超导电磁推进船 有可能以 节能 低噪音等优点成为未来的交通工具 此外 超导技术在电子学领域也有重大的应用成果 超导量子干涉器可以用于检测人 体的脑磁 心磁以及地磁等其他的微弱磁信号 超导滤波器更能使无线通信地面站的通信能 力大大提高 给人们以便利 今天 超导材料和超导技术已经在许多领域发挥着巨大作用 科研人员还在努力研制常 温超导材料 如果常温超导材料研制成功 超导技术所蕴含的巨大潜力就会释放出来 这必 将引发一场新的工业革命 但愿这一天早日到来 二 超导磁悬浮列车离我们还有多远 超导磁悬浮列车是一种高速 安全 无污染的新型列车 1966 年美国首先提出制造超 导磁悬浮列车的设想 此后 美 英 日 德 瑞典等国都进行了有关开发和利用 超导磁 悬浮列车是靠着互斥原理悬浮于轨道上行驶 所以摩擦阻力很小 时速可高达几百千米以 上 且磨损小 维修少 成本低 其能源消耗仅是汽车的一半 超导磁悬浮列车靠电力作动 力运行 在轨道沿线不排放废气 无污染 是一种名副其实的绿色交通工具 在当今世界 交通拥挤 运输量与运输能力矛盾日益尖锐 以及全球环保浪潮高涨和能源短缺情况下 研制出超导磁悬浮列车具有重大意义 三 磁悬浮的工作原理 从理论上讲 常规电磁体可以通过强电流来获得任意大小的磁场 但是 由于线圈中有 电阻 电流在电磁铁中工作又要产生大量的热 这样就必须进行冷却 所以在工程技术上 想要获得 10 万高斯以上的磁场就十分困难了 一个 10 万高斯的常规电磁体 供电量高达 1600 kW 每分钟要用 4500 L 水进行冷却 这就是由于导体中有电阻造成的 从发现超导体以后 人们就利用超导体来制造新式的 电磁铁 超导 磁体了 几万 高斯的超导磁体 只要几百瓦的功率就够了 既不损耗多少电能 又可以免除冷却设备 如 今十几万高斯的超导磁体已经问世 产生的是恒定磁场 超导磁体本身很轻巧 又能产生极强大的磁场 这就为制造超导磁悬浮列车创造了条 件 磁悬浮的设想很简单 让两个相斥的磁体在一起 一个磁体放在地下 另一个磁体便 会被那斥力托起来 这就需要极强的磁场了 超导磁悬浮列车已经由幻想变成了现实 这种列车每节车厢下边的车轮旁边都安装有小型超导磁体 在轨道两旁 埋设有一系 列闭合的铝环 当列车向前运动的时候 超导磁体向轨道面产生强大的磁场 并和地下的 专心 爱心 用心 3 铝环相对运动 在铝环内出现大量电流 由于超导磁体 磁场 和铝环 电流 交互作用 产生了一个向上的力 把列车凌空托起 飞似地向前驶去 1 3 车窗 2 座席 4 液氦贮槽 5 超导磁体 6 车轮 7 驱动用轨道 8 12 驱动用线性同步电机 9 11 闭合铝坏 10 车上磁悬浮装置 图 1 超导磁悬浮列车原理图 四 磁悬浮的两种类型 新一代的高速列车将采用磁悬浮技术 借助于磁力的方法悬浮导引与驱动车辆 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 一种是德国开发的吸引式电磁系 统 两种磁悬浮列车各具特色 排斥式系统利用装在车上的超导磁铁来产生导轨中导电线圈电流 形成一种排斥的相 互作用 这种作用能让可乘坐 44 人 重 15 t 的车辆悬浮起来达 15 cm 高 使整列火车像 一架以导轨为基础的 低飞的飞机 吸引式系统则利用车辆上携带的非超导的铁芯电磁铁与 位于导轨侧面的电磁铁相互吸引着向上悬浮 使重 100 t 的车辆与导轨之间有 1 5 cm 的间 隙 现在排斥式悬浮列车已经在 7 km 长的试验轨道上创下了每小时 517 km 的记录 吸引式 悬浮列车则在 31 km 的 8 字型轨道上进行了试验 速度通常可达到每小时 400 450 km 比 较而言 排斥式悬浮列车由于悬浮的高度较高 从而对导轨的制造精度可以相对放松 对 日后转入实际应用 在技术上较为容易 在经济上较为便宜 吸引式悬浮列车则在静止时依 旧悬浮 便于短途停靠 适于作为城市交通工具 从目前的研究现状看 吸引式悬浮列车的 行驶质量比排斥式要高一些 乘车的感觉比较平稳 舒适 悬浮列车要在一条专用的线路上 行驶 这条线路不能与其他道路交叉 并且配备先进的控制设备 以最大限度地保证旅客 的生命安全 五 磁悬浮的安全问题 很多人都关心这样一个问题 乘坐 磁悬浮 是否安全 其磁辐射对人体是否有害 前面我们已经了解到磁悬浮列车的运动原理 它主要是依靠电磁力来实现传统铁路中 的支承 导向 牵引和制动功能 由于列车在运动过程中始终与轨道保持 1 cm 左右的悬距 避免了车身与轨道的直接接触和轮轨摩擦 不仅行驶速度得以大幅度提高 而且运动时也 更加平稳舒适 同时由于磁悬浮在一个供电区内只允许一列车运行 因而绝对不会发生撞车 的危险 为了保证高架列车在高速转弯运行时平稳安全 设计人员将线路的转弯半径增大到 1 3 8 km 的范围内 使每处转弯都保持圆滑的弧度 绝不会给乘客造成 过山车 般东倒 西歪的不适感觉 此外 磁悬浮快速列车基本上是在宽 50 m 的绿化隔离带中全封闭行驶 列车车窗装有减速玻璃 乘客可尽情领略沿途的风光 而不会有头晕目眩的感觉 对于磁悬浮列车的磁辐射问题我们大可不必在意 因为磁悬浮列车的磁感应强度与地 球磁场相当 远远低于人们家庭中常用的家用电器 六 磁悬浮的国内进程 西南交通大学 世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车问世 专心 爱心 用心 4 2001 年 2 月 西南交通大学发明了世界上第一辆载人 高温超导磁悬浮试验车 该 磁悬浮试验车可载 5 人 悬浮净高度达 23 mm 加速度为 1 m s2 是迄今为止世界上悬浮 重量最大的载人高温超导磁悬浮试验车 北京 拟建磁悬浮铁路 北京东直门至首都机场将新建一条全长 26 km 磁悬浮高速铁路 这条铁路从东直门交通枢纽出发 全程高架行驶 沿城市铁路上方向北至望京小区 然后转向东北方向直达首都机场 目前 高速铁路建设方案正围绕新干线和磁悬浮进行论证 2001 年 4 月中旬 建设方 案正式确定 这个枢纽位于东直门立交桥东北 汇集地铁 城市铁路 高速铁路 公共交通 长途客运等交通线路 配合交通枢纽建设 东北二环路还将进行改造 湖南长沙 我国首条磁悬浮列车实验线建成 我国第一条磁悬浮列车实验线 4 月下旬在长沙建成 这条实验线是由国防科技大学磁悬 浮技术研究中心和铁道部第三勘测设计院的科研人员耗费两年多时间共同研制的 是北京 八达岭长城磁悬浮列车旅游线的前期工程 上海浦东 磁悬浮列车商业运营线已正式开工 图 2 世界上第一条高速磁悬浮列车商业运营线已于 2001 年 3 月 1 日在上海浦东正式开工 并将于 2003 年建成通车 两年后 中国人将率先体验到乘坐 零高度飞行器 以时速 430 km 近地飞行的奇妙感觉 日前在浦东正式启动建设的上海磁悬浮列车示范运营线 将是一条城市交通 观光 旅游并重的商业运营线路 七 略谈超导研究 在 19 世纪末 20 世纪初的世纪之交就有人预言 20 世纪将是 物理学的世纪 从 1896 年放射性现象的发现到 1945 年原子能的利用 从 1905 年相对论的诞生到 1924 年量 子力学的创立 从晶体管 激光的问世到人造卫星 宇宙飞船的成功 甚至从微观世界的 基本粒子到宇观世界的 黑洞 理论 实验上的发现 理论上的突破和技术上的应用 迅 速地改变了人们的思想观念 生活方式和活动范围 不断地推进了人类社会的进步 在物理 学的 百花园 里 超导 这枝姗姗来迟的蓓蕾特别引人注目 它有着艰辛的探索 更有着诱人的前景 本文把视角转到超导 旨在对超导的研究作出粗线条的描述 1 超导现象的发现 1 1 低温的获得 19 世纪末 人们已经知道在液氢温区以上 金属的电阻率会随温度的降低而减小 根 据杜瓦的经验预期 随着温度的降低 电阻率会平缓地趋于零 而开尔文则认为 在极低温 度下 导电电子可能被凝聚在原子上 这样大量导电电子被 冻结 在晶格上以致自由电 专心 爱心 用心 5 子数很快减少 随着温度的降低 电阻率反而迅速升高 那么金属的电阻率在绝对零度附近 到底如何变化呢 显然 要回答这个问题必须凭借极低的温度 继 1877 年法国科学家凯勒 特和瑞士科学家皮克特分别独立地液化了氧气 1898 年英国物理学家杜瓦成功地液化了氢 气之后 1908 年 7 月 10 日 荷兰物理学家卡末林 昂纳斯 KamerLingh Onnes 在荷兰的 莱顿实验室把最后一种 永久气体 氦液化成功 使温度降低到 4 2 K 从而打开了 进一步通向绝对零度的大门 1 2 超导电性的发现 由于卡末林 昂纳斯最先液化了氦 所以他和他的学生最先把各种金属放在低温下做 实验 1911 年 2 月他要他的学生霍耳斯特 G Hlolst 做水银电阻与温度变化关系的实验 霍耳斯特利用冻结的汞柱进行实验时 发现当温度冷却到氦的沸点时 汞柱两端的电压降 到零 他把实验结果告诉了昂纳斯教授 昂纳斯教授自己又重复了这个实验多次之后确信 纯汞能够被带到这样一个状态 其电阻为零 或者说至少觉察不出与零的差异 这实际 上是人们第一次看到了超导电性 1911 年 4 月 28 日 卡末林 昂纳斯据此发表了一篇题为 在氦温度下纯汞的电阻 的文章 这是第一篇关于超导发现的论文 一个月后 又发表了 汞电阻的消失 的论文 在继续研究的基础上 同年 11 月 25 日 昂纳斯在一次会议上报告了新的实验结果 并于 12 月 30 日以 论汞电阻消失速度的突变 为题目将报告发表 这一次 昂纳斯明确给出了 超导转变曲线 1912 年 昂纳斯又发现了锡和铅也有和汞一样的超导转变方式 1913 年 昂纳斯第一 次使用了 超导电性 Superconductivity 一词 他指出 水银在 4 2 K 进入一个新的 状态 因其特殊的电性质可以称之为超导态 他除了发现超导体具有临界温度TC外 还 发现超导体具有临界磁场HC 1913 年 卡末林 昂纳斯 由于他对低温下物质性质的研究 并制成液氦 而被授予 诺贝尔物理学奖 他是获得诺贝尔奖的第一位低温物理学家 1 3 超导体的两个最基本特性 在 1933 年以前 人们比较普遍地认为 电阻为零是超导体最基本的性质 至于和这一 电学特性相对应的磁学性质 人们研究得则远不充分 基本上是把超导体作为一种理想导 体看待 因此 未经实验证实就接受所谓的磁场 冻结 到了 1933 年 德国物理学家迈斯 纳 W Meissner 和奥克森菲尔德 R Ochsenfeld 开始怀疑磁场 冻结 这一理想导体的 必然推论 并出色地完成了他们有关超导体磁性质的工作 于 1933 年 10 月发表了有关他 们实验结果的最初简讯 这篇论文可以说是超导物理发展史中又一划时代的文献 他们得出 的结果是 当物体进入超导态后 超导体外部空间的磁感线分布自身会发生变化 而且这 种变化的情况接近于超导体的磁导率为零的情况 也就是抗磁性磁化率为 1 4 的情况 超导体仿佛像一个理想抗磁体一样 会把体内的磁感线 排斥 出体外 而在超导体内 永远保持磁感应强度为零 超导体的这种特殊性质被后人称为 迈斯纳效应 这种想当然 的磁场 冻结 的观点被推翻了 零电阻现象和迈斯纳效应是超导体的两个最基本特性 2 超导解释的理论 人们除了在实验上探索之外 还不断地试图从理论上解释 描述超导现象 但是 在 相当一段时间内 许多物理学家很难找出导致超导电性的内在的物理图象 直到 20 世纪 30 年代初 在对超导电性的宏观唯象处理方面取得了较大的进展 这对人们更深入认识超导 现象的微观机制起了一定的作用 2 1 传统超导体的唯象模型 1934 年荷兰物理学家戈特 C J Gorter 和卡西米尔 H B G Casimir 在前人用热力学 分析的基础上 提出了一个 二流体 模型 金属处于超导态时 共有化的自由电子 其 专心 爱心 用心 6 数目为N 分为两部分 一部分叫正常电子 其数目为Nn 另一部分叫超流电子 其数目 为Ns 两部分电子占据同一体积 在空间上相互渗透 彼此独立地运动 两种电子相对的 数目是温度的函数 同时还假定正常电子在运动中要受到晶格振动的散射 从而有电阻效应 对熵有贡献 而超流电子在运动中不受晶格散射 对熵的贡献是零 以 二流体 模型为基 础可以解释一些超导的实验现象 如电子比热实验等 戈特和卡西米尔的 二流体 模型虽然比较粗糙 但却第一次提出了在普通空间 而 不是在动量空间 的有序化观点 它对后来超导微观理论的发展有较大的影响 1935 年 德国物理学家伦敦兄弟 F London H London 凭着对物理本质的深刻洞察力 通过对通常的电动力学方程的修正 提出了超导宏观电动力学理论 即著名的 伦敦方程 超导电流的分布决定于磁场 即超导电流的环流与磁通量成正比 并提出了磁场在超导 体中的穿透深度 L 预言了有序电子凝聚是在动量空间里的凝聚 伦敦兄弟在 二流体 模型基础上建立的伦敦方程 不仅给予零电阻现象和迈斯纳效应统一的合理的解释 并成 功地预言了磁场穿透现象 为了纪念他们在超导研究领域的卓越贡献 1957 年低温物理界 设立了伦敦奖 表彰在低温物理方面取得杰出成就的人 1950 年前苏联物理学家金兹保 W L Ginzberg 和朗道 L D Landau 在朗道的二级相 变理论的基础上 综合了超导体的电动力学 量子力学和热力学性质 提出了一个比伦敦 理论更为精致 实用的超导唯象理论 G L 方程 较好地表达了超导体中电子的运动 并计算出描述超导体特征的有序度参量 为后来工业生产实用超导材料奠定了基础 此外还 在实验中发现了第二类超导体 同位素效应等 2 2 传统超导体的微观机制 传统超导体的唯象模型虽然在解释超导现象方面取得了一些突破性成就 但是超导的 微观机制究竟是什么 还一直是个 谜 因此在很长一段时间内 超导理论研究被称为是 理论物理的耻辱与绝望 1955 年 美国著名物理学家巴丁 J Bardeen 邀请了库珀 L N Cooper 和施里弗 J R Schrieffer 三人一起开始攻克超导微观理论的难题 1956 年 库珀独辟蹊径 首 先做出了重要贡献 他抓住能隙问题 从量子力学一般理论出发 提出了一个至关重要的物 理图象 电子对 也称库珀对 库珀对成功地描述了两个电子的行为 但他要把它推广时却遇到多体问题的困难 最后 的难关终于被年轻的施里弗出奇地突破了 但他自己还拿不准 连库珀也没有把握 但老科 学家巴丁一看以后 立刻激动地说 行了 行了 在这里了 接着他们三人继续苦干了 几十天 终于建立了超导微观理论 BCS 理论 结果发表在 1957 年 4 月和 11 月的 物理 评论 上 BCS 理论终于在超导电性发现了 46 年之后 从微观上揭开了超导的秘密 这是超导物 理发展史上的一个重要里程碑 为此 巴丁 库珀和施里弗三人共同获得了 1972 年诺贝尔 物理学奖 超导微观理论的创立 推动了超导实验和理论的进一步发展 根据BCS理论 英国年轻 的研究生约瑟夫逊 B D Josephson 1962 年从理论上预言 在两块超导体之间夹一层绝缘 薄膜时 仍会有超导隧道电流通过 他的预言在第二年就得到实验证实 为此 约瑟夫逊在 1973 年荣获了诺贝尔物理学奖 约瑟夫逊效应现已获得了实际应用 3 高温超导的突破 所谓高温超导体是相对传统超导体而言的 传统超导体必须在液氦温度 4 2 K 下工 作 而铜氧化合物是可以在液氮温度 77 K 下工作 通常称之为高温超导体 3 1 转变温度的提高 自 1911 年超导现象发现后的近 30 年中 超导体由正常态转变成超导态时的转变温度 专心 爱心 用心 7 一直很低 直到 40 年代初 人们才发现了第一个转变温度较高的超导体氮化铌 NbN 其TC 15 K 50 年代以后 又发现了多种具有 A15 结构的高临界超导材料 如 V3Si 矾三硅 Nb3Sn 铌三锡 等 此间超导临界温度记录一直在缓慢地提高 直到 1973 年 在 Nb3Ge 铌 三锗 薄膜中得到了 23 2 K 的最高临界转变温度记录 以后 这一记录再未被打破 一直 到 1986 年氧化物超导体被发现 3 2 高温超导的突破 由于超导转变温度还是很低 这大大限制了超导技术的应用范围 因此 科学家们一直 想找到高临界温度的材料 以期取代液氦做冷却剂 以便降低成本 液氮的成本是液氦的 百分之几 使超导研究在应用上得到突破 1986 年 4 月 美国国际商用机器公司 IBM 设在瑞士苏黎世的实验室报告 瑞士科 学家缪勒 K A M ller 和联邦德国博士柏诺兹 J G Bednorz 首先发现 La Ba Cu O 镧钡铜氧化物 中存在 35 K 的超导转变 接着又观察到了迈斯纳效应 为 研究高温超导指明了方向 他俩也因此而分享了 1987 年的诺贝尔物理学奖 随后 中国科学院物理研究所 美国休斯敦大学和日本东京大学的科学工作者重复了 缪勒和柏诺兹的结果 并用 Sr 置换 Ba 将TC提高到 40 50 K 1987 年 2 月 6 日 美国全国科学基金会宣布 休斯敦大学的朱经武教授首先在液氮区 获得了转变温度为 80 92 K 的超导体 YBaCuO 同年 2 月 24 日 中国科学院物理研究所宣 布 该所的赵忠贤教授也在液氮区获得了转变温度为 100 K 的超导体 78 5 K 出现零电阻 93 K 时出现抗磁性 并首先向全世界公布了钇钡铜氧化合物 Y Ba Cu O 的材料组成 1988 年 1 月 日本国家金属研究所又宣布 前田 Maeda 教授发现了转变温度为 115 K 的 超导体 BiSrCaCuO 同年 2 月 美国阿尔堪萨斯大学的盛正直教授发现了转变温度为 125 K 的超导体铊钡钙铜氧化物 Tl Ba Ca Cu O 1993 年 5 月 瑞士苏黎世 ETH 实验 室的斯奇林 A Schilling 教授又合成了汞钡钙铜氧化物 Hg Ba Ca Cu O 其超导转 变温度已达 133 5 K 目前 超导研究正在向新的深度和广度进展 虽然新型超导体材料的超导转变温度还远 没有达到室温 但可以预期 通过各国物理学家的共同努力 超导在不久的将来会有广阔 的应用前景 八 高温超导电性简介 近几年来 科学界经常谈论的议题之一就是高温超导电性和它的应用 工业界也在企 盼着它的应用将带来的市场和利润 大众同样也在关心高温超导电性的应用对人们生活 医疗 通讯所带来的种种好处 尽管通过大众传播媒介的宣传 高温超导电性在大众中 特 别是青少年学生中几乎是人人皆知 其中不少人也从这一点浅薄的了解而走上了研究开发 高温超导体的道路 但是 一旦他们踏入了这一科学殿堂 就会发现原先对高温超导电性的 理解是既肤浅而又有若干误解 因此 将高温超导电性的基本科学内容作一简要的说明就显 得十分必要了 1 导电性和超导电性 材料的导电性表示电流通过该材料的能力 通常用电阻来描述这一能力 电阻实质上是 形成电流的电子运动所受到材料内原子实的散射所致 当温度升高时 材料内原子实的热振 动加剧 对电子的散射也随之增加 从而使材料的电阻也增加 相反 当温度下降时 材 料的电阻减少 人们不禁要问 当温度接近绝对零度时 材料的电阻会趋向零值吗 科学家 在无数次实验之后 对一般材料而言 发现在 0 K 也还会有剩余电阻 对于理想材料 原子 实振动停止的同时 又没有其他的散射中心存在 因而电阻应趋向零 1911 年荷兰科学家 昂纳斯首先研究了水银在 4 2 K 温区的电阻 发现水银的电阻在 4 2 K 附近 突然跳跃式 地由一个有限值下降到仪器所不能检测出的数值 突变前后 电阻变化超过 1 万倍 昂纳 专心 爱心 用心 8 斯认为这一状态为零电阻状态 问题的核心在于仪器检测不出来的电阻值是不是真正的零电 阻 要回答这一问题 人们做了持久电流实验 实验方法是将水银做成一个闭合的圆环 将 圆环先冷却到 4 2 K 然后垂直于圆环平面加上一外磁场 当磁场变化时 环内会产生一 个感生电流 当外磁场停止变化后 已经产生的感生电流将持久地流动下去 有的实验曾发 现两年多的时间内持久电流没有任何变化 简单地将零电阻状态定义为超导态是不充分的 但是零电阻状态是超导态的必要条件之一 水银在 4 2 K 电阻突然消失 不是它独有的特性 实 验发现 许多元素和化合物在各自特定的温度下都具有这种超导电的性质 人们将这一电 阻突然消失的温度叫做临界温度或是超导转变温度 而把具有超导转变性能的材料称之为 超导体 2 超导体的磁性 从实用的观点来看 人们自超导体发现以来首先想到的是利用具有零电阻性质的超导 体 制成输电线 按人们最初的设想 这种超导体可以有无限大的电流而没有任何损耗 但 是 当人们用超导体输送电流时 却发现当电流超过一定数值后 超导体突然又恢复到具 有电阻的状态 对于具有零电阻的超导体所输送的电流具有一个临界值 真是不可思议 这 又是大自然给科学家出的一道难题 其原因何在呢 不久人们发现外磁场达到一定的强度 后 会破坏超导态 而超导电流产生的感生磁场达到一定的强度后也会破坏超导态 这样一 来超导体的磁性又成为人们研究的重点 1933 年迈斯纳发现 不管外加磁场的方式如何 超导体内部磁感应强度恒等于零 换句话说 超导体内永远没有磁场 这种把磁场完全排出 体外的性质被称之为完全抗磁性或迈斯纳效应 零电阻效应和完全抗磁性是超导体的两个相互完全独立 而又紧密相关的基本特性 在 超导体内通过有限电流时 零电阻要求导体内部的电场强度 E 恒等于零 但是电场强度 为零不能保证超导体内部的磁感应强度 B 为零 相反 超导体内部的磁感应强度为零 表示超导体内部与外加磁场有关的电流永远不会出现 电流只能是外部引入的或内部闭合 的电流 为了保证超导体内磁感应强度为零 在超导体的表面必然有一个不衰减 即没有电 阻 的表面电流以屏蔽超导体外部的磁场 这个屏蔽外磁场的电流被称为迈斯纳电流 3 超导体在磁场中的行为 对超导体加一磁场 当外加磁场强度高于某一数值时 超导体会突然变成正常金属 超 导体内部由原先完全没有磁场而变为有磁场 这是 理想 的第 类超导体 所谓 理想 是指超导体的形状为球形 而超导态和正常态的界面能量为正值 实际上 有许多种超导体 具有负的界面能量 被称为第 类超导体 第 类超导体在磁场中的表现比较复杂 当外加 磁场逐步加强到下临界磁场时 磁场将进入超导体内 但这时超导体仍具有零电阻 这时超 导体内实际上为超导态和正常态的混合态 随着外加磁场的继续增强 超导态的比例逐渐 减少 直到外磁场达到上临界磁场的数值时 超导体才完全恢复到正常态 对于第 类超导 体处于混合态时 磁场在超导体内部是如何分布的呢 当磁力线开始进入第 类超导体内 部时 磁力线占据的部分为正常态 它被超导体所包围 为了使超导体内的磁感应强度为 零 沿磁力线外表面的超导区内一定存在一环形电流围绕着磁力线 这一环形电流 又称 涡旋电流 产生的磁场恰好在超导体内抵消磁力线的磁场 应该注意到磁力线穿过的区域有 一定尺寸 这一尺寸被称为磁力线的直径 对进入混合态超导体内少量的磁力线 它们是随 机地分布的 而当磁力线的数量达到一定的数量时 它们就会按一定规则排列起来 形成 磁通格子 当超导电流流经有磁通格子的超导体时 由于电流和磁力线之间相互作用 磁力 线会运动 甚至会破坏磁通格子的结构 如果磁力线被牢牢地钉扎在超导体内 那么会使超 导体的临界电流提高 这就告诉人们 在超导体的实用化过程中 磁通钉扎是十分重要的问 题 4 超导的机理 专心 爱心 用心 9 按照人们的一般常识是难以想象超导是如何产生的 通常都把电流看做是若干个电子的 定向运动 在电子之间存在着库仑相互排斥的作用 当然 电子与组成金属的原子实有库仑 吸引作用 众所周知 金属内所有原子实都在不停地做热振动 原子实的热振动相互耦合在 一起形成格波或声子 谈到格波或声子时 它代表所有原子实的集体运动 电子和原子实的 相互作用 可归结为吸收声子或发射声子 吸收声子是指电子由于和原子实的相互作用 动 量增加 而发射声子指电子的动量减少 对两个动量相反的电子 如果一个吸收一个声子 另一个发射一个声子的情形又会如何呢 当这两个电子满足一定的条件时 这两个电子的 动量之和保持不变 而能量之和会下降 这时 人们说这两个电子配成对 成为超导电子对 超 导电子对是有关超导机理概念上的突破 许多科学家都曾经企图建立一个经典的而又直观的 图象来解释它 这些图象在科普著作中的出现 往往会误导读者 此处就不进行这一方面 的描述了 在超导电子对基础上建立的 BCS 理论 是物理学史上的丰碑之一 BCS 理论描述 的电子 声子集体运动 这一方法业已推广到物理学的很多领域 超导电子对的实验验证是大家共同关心的问题 这个问题的实质是测量出由超导电子对 产生的物理效应 交流约瑟夫森效应 当两块相同的超导体之间放一片厚度为 1 nm 左右 的绝缘体时 形成了一个 S I S 结 在两块超导体上加一直流电压 当直流电流大于一临 界值之后 会产生一个微波辐射 微波辐射的频率跟结的端电压成正比 比例系数为 2e h l 为电子电量 h为普朗克常数 约瑟夫森效应是超导研究和应用中的重要发现之一 目前 它已形成了一个活跃的领域 甚至有人企图利用这一效应做成世界上最快的电 子计算机 可惜这一研究计划因不可克服的技术困难而搁浅 5 高温超导体及可能的应用 1986 年以前 超导体的超导转变温度最高不过 23 K 处在液氦温区 这就大大地限制 了超导体的应用 自超导体的发现以来 人们一直在坚持探索具有更高超导转变温度的超导 体 可惜这些努力并没有得到相应的回报 每年提高超导临界温度才 0 2 0 3 K 更令人沮 丧的事是 BCS 理论在成功地解释了超导机理的同时 预言了超导转变温度的极限不能超过 30 K 米勒和贝德诺茨的创造性工作一下子使人们冲破了这一桎梏 他们在一种氧化物陶瓷 中首先得到了 34 K 的超导体 继而人们又把超导转变温度提高到 90 K 这就是大名鼎鼎的 钇钡铜氧化合物 对于超导物理学而言 90 K 是相当高的温度 它已经处于液氮温区内 从 这种意义上 人们将氧化物超导体称为高温超导体 经过十年的发展 氧化物超导体已有 70 余种 形成了一个家族 目前 HgBaCuO 化合物的最高超导转变温度已高达 150 K 123 高温超导体的超导转变温度已达液氮温区 77 K 以上 唤起了人们对超导体实用化 研究的热情 十年来的实用化研究结果预示在 2005 年前后 以高温超导体为基础的高新技 术产业将形成一巨大的市场 估计将在电力 交通 通讯 医学 国防等各领域内得到广 泛的应用 特别是以量子隧穿效应在弱信号检测方面的应用最具有吸引力 超导量子干涉仪 SQUID 将在通讯 癌症早期诊断 探矿等方面迅速地得到应用 九 超导磁体在交通中的应用 超导电性是于 1911 年由卡末林 昂内斯 Kamerlingh Onnes 在莱顿 Leiden 实验 室发现的 但是由于当时发现的超导材料的超导电性极易受到磁场影响而被破坏 使得人们 对超导电性的实际应用的一些设想无法实现 直到 20 世纪 60 年代 科研工作者发现具有实 用价值的超导材料后 才使早期的设想得以实现 目前 超导电性的应用已逐步发展成为有 一定规模的一门实用技术 并在交通 医疗 工业 国防和科学实验等领域里发挥着极其 重要的作用 直到 80 年代中期 随着以 YBaCuO BiSrCaCuO 这类材料为代表的高临界温度 超导材料的发现 使得超导技术的实际应用成为可能 特别是超导磁体在交通运输中的应用 很受人们关注 因为随着国民经济的发展 社会对交通运输的要求也越来越高 人们需要时 专心 爱心 用心 10 速达数百千米的快速列车和噪音低 速度快的船舶 下面简单介绍超导磁体在电磁推进船舶 磁悬浮列车中的应用 1 超导电