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《超導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用淺見(jiàn)》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、超導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用淺見(jiàn)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院2009301000010汪旭敏2010-5-25超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)和技術(shù)的發(fā)展一、超導(dǎo)現(xiàn)象物體在低溫出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象是因?yàn)樵跍囟群艿偷臅r(shí)候，原子核的運(yùn)動(dòng)被易子氣束縛在很小的范圍內(nèi)，原子與原子形成彈性晶格狀，原子只能在晶格中有微弱的振動(dòng)，內(nèi)層電子在這些晶格之間做振動(dòng)，外層自由電子無(wú)法將能量傳遞給原子核，自由電子與巨大的彈性晶格相碰撞，無(wú)法將自己的能量轉(zhuǎn)變成巨大彈性晶格的內(nèi)能，所以無(wú)能量損失。在磁場(chǎng)中，只有超導(dǎo)體的外部直接與磁場(chǎng)接觸的部分可以被磁化，超導(dǎo)體表現(xiàn)出完全抗磁性。二、超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1
2、911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林—昂內(nèi)斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98℃時(shí)，汞的電阻突然消失；后來(lái)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阻的特性，由于它的特殊導(dǎo)電性能，卡末林—昂內(nèi)斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎(jiǎng)?！ ∵@一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動(dòng)。在他之后，人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)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(yīng)。導(dǎo)體沒(méi)有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無(wú)阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超
3、強(qiáng)磁場(chǎng)?！ ?933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個(gè)極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來(lái)存在于體內(nèi)的磁場(chǎng)排擠出去。對(duì)單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過(guò)渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場(chǎng)突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。 后來(lái)人們還做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動(dòng)?！ ∵~斯納效
4、應(yīng)有著重要的意義，它可以用來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性?！ 榱耸钩瑢?dǎo)材料有實(shí)用性，人們開始了探索高溫超導(dǎo)的歷程，從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K開爾文溫標(biāo)，起點(diǎn)為絕對(duì)零度）。1986年1月發(fā)現(xiàn)鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)溫度是30K，12月30日，又將這一紀(jì)錄刷新為40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導(dǎo)體。高溫超導(dǎo)體取得了巨大突破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用?！ 〕瑢?dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁
5、斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)，1987年開始，日本國(guó)開始試運(yùn)行，但經(jīng)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(chǎn)生的顛簸造成的。超導(dǎo)船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導(dǎo)材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢(shì)必會(huì)引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。 超導(dǎo)
6、材料的零電阻特性可以用來(lái)輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會(huì)有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體則可最大限度地降低損耗，但由于臨界溫度較高的超導(dǎo)體還未進(jìn)入實(shí)用階段，從而限制了超導(dǎo)輸電的采用。隨著技術(shù)的發(fā)展，新超導(dǎo)材料的不斷涌現(xiàn)，超導(dǎo)輸電的希望能在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還處于必須用液態(tài)氮來(lái)冷卻的狀態(tài)，但它仍舊被認(rèn)為是20世紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。一、Bcs理論BCS理論（BCStheory）是解釋常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性的微觀理論（所以也常意譯為超導(dǎo)的微觀理論）。該理論以其發(fā)明者巴丁（J.Bardeen）、庫(kù)珀（L.V
7、.Cooper）施里弗（J.R.Schrieffer）的名字首字母命名。某些金屬在極低的溫度下，其電阻會(huì)完全消失，電流可以在其間無(wú)損耗的流動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)。超導(dǎo)現(xiàn)象于1911年發(fā)現(xiàn)，但直到1957年，巴丁、庫(kù)珀和施里弗提出BCS理論，其微觀機(jī)理才得到一個(gè)令人滿意的解釋。BCS理論把超導(dǎo)現(xiàn)象看作一種宏觀量子效應(yīng)。它提出，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對(duì)形成所謂“庫(kù)珀對(duì)”，庫(kù)珀對(duì)在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗的運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流。在BCS理論提出的同時(shí)，博戈留波夫（Bogoliubov）也獨(dú)立的提出了超導(dǎo)電性的量子力學(xué)解
8、釋。它使用的博戈留波夫變換至今為人常用?！ ‰娮娱g的直接相互作用是相互排斥的庫(kù)倫力。如果僅僅存在庫(kù)倫直接作用的話，電子不能形成配對(duì)。但電子間還存在以晶格振動(dòng)（聲子）為媒介的間接相互作用。電子間的這種相互作用是相互吸引的，正是這種吸引作用導(dǎo)致了“庫(kù)珀對(duì)”的產(chǎn)生。大致上，其機(jī)理如下：電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)
