超導及其應用

1、04 超導極其應用【教學目的】1、知道什么是超導現(xiàn)象，了解相關名詞2、了解超導的歷史，知道一些重要的物理事件3、知道超導的應用，激發(fā)勇于探索前沿科技的精神【教學重點】超導現(xiàn)象和應用【教學難點】轉變溫度TC和材料的必然聯(lián)系【教具】投影儀【教學過程】從導電性的角度，我們把材料分為導體、絕緣體，還有半導體。那么，還有沒有導電性更為奇特的材料呢？、復習引入金屬導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？學生：電場力。制約電子定向移動的微觀因素是什么？學生：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，還有應用的角度閱讀一下教材P156157的內容，閱讀完畢后，請同學們作相關的總結學生閱讀學生總結一、超導現(xiàn)象超導現(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)象轉變溫度：導體由常態(tài)轉變成超導狀態(tài)的溫度，用TC表示。*兩種類型的超導體：a、常規(guī)金屬超導體；b、合金超導體，有兩各轉變溫度，而且在兩個轉變溫度之間，磁效應和電效應會出現(xiàn)“不一致”的情形。二、超導的歷史年份科學家材料轉變溫度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、超導的相關研究1、邁斯納效應把溫度T < Tc的超導體放入磁感應強度為B0<BC的外磁場中，超導體內部的磁應強度等于0；如果是在T < Tc時，加B0<BC的外磁場，再降溫到TC以下時，超導體內的磁感應強度B也變?yōu)?，即磁場被“排擠”出超導體外這表明超導體是“完全抗磁體”，超導體的完全抗磁效應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。2、約瑟夫森效應（超導隧道效應）1962年，英國劍橋大學的研究生約瑟夫森從理論上預言：當兩塊超導體（S）之間用很?。?030）的

4、氧化物絕緣層（I）隔開，形成SIS結構，將出現(xiàn)量子隧道效應這種結構稱為隧道結，即使在結的兩端電壓為0時，也可以存在超導電流這種超導隧道效應現(xiàn)在稱為約瑟夫森效應約瑟夫森從結論上證明超導隧道結的一些奇特性質例如，當兩端電壓V不等于0時，會出現(xiàn)一個高頻振蕩的超導電流，它的頻率f滿足關系式f = V其中e為基本電荷，h為普朗克恒量這時隧道結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上時，它的能量會被結吸收，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系式Vn = f1約瑟夫森的預言不久就被實驗證實，這為一門新學科超導電子學奠定了基礎，他因此

5、而獲得1973年諾貝爾物理學獎3、同位素效應1950年，麥克斯韋和雷諾等人用實驗證明，臨界溫度TC與樣品的同位素質量M 有關，M 越大，TC 越低，其關系可以用近似公式TC = 常數(shù)來表示，這說明超導現(xiàn)象的形成與原子核的質量有關。4、超導體比熱在臨界溫度的不連續(xù)性實驗表明，超導體在臨界溫度TC時，比熱發(fā)生不連續(xù)的變化，超導態(tài)的比熱大于正常態(tài)的比熱，但從正常相變?yōu)槌瑢鄷r，沒有吸收或放出潛熱，這稱為第二類相變。四、超導的應用1、優(yōu)越的超導電機普通發(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，用超導體制作

6、電機，功率可以提高幾十倍。2、省電的超導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。超導體導線則能完全解決這個問題。3、精密的超導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，超導則能解決這個問題。4、神速的超導計算機把超導體應用于計算機將會迎來科學史上的一次重大革命。理論研究表明：應用約瑟夫森效應制成超導器件，其開關速度可以比當前使用的半導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、超導磁懸浮列車在超導磁懸

7、浮列車的研究中走在最前列十日本。1962年，日本著手設計磁懸浮列車，但當時是利用正常導體產(chǎn)生的磁場時速達到307.8km/h ，1997年，日本又試制了超導磁懸浮列車，關鍵部分是由兩組超導電磁鐵構成的，它們能提供極強的磁場，使列車的速度達到500km/h 。四、小結本節(jié)講了超導的概念、名詞，相關的物理學史，展望了超導的應用前景。值得注意的是，超導是一門前沿科學，還不是很成熟。大家通過學習也看到了，超導要真正走上產(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)查詢有關超導的內容；學海導航物理（下）P78“鞏固提升”A組，做在書上【板書設計】見帶框字符，即是板書計劃?！窘毯蟾小俊鹃喿x】磁場對超導體的影響磁場對超導體的影響與超導體的材料有關（1）外加磁場強度超過一定值時，可以破壞超導電性破壞超導體所需的最小磁場叫臨界磁場其磁感應強度用BC表示，用BC0表示絕對零度時的臨界磁場，則大多數(shù)金屬超導體的臨界磁場BC與溫度T 的近似關系是： （3）磁致超導性1962年，物理理論家V·Jacar