化學(xué)常識：奇妙的超導(dǎo)世界

1、.化學(xué)常識：奇妙的超導(dǎo)世界一、化學(xué)常識：奇妙的超導(dǎo)世界奇妙的超導(dǎo)世界在日常生活中大家都應(yīng)該有過使用電視、電腦、電燈等電器的經(jīng)歷，這些電器的出現(xiàn)也確實為生活帶來便利。然而當(dāng)電器使用一段時間後，機(jī)器通常都會發(fā)熱；假設(shè)是使用時間過長，甚至還會因過熱而燒毀。造成這些問題的主要原因都來自電阻；電阻是由於當(dāng)電子流過導(dǎo)線的內(nèi)部時，被導(dǎo)線內(nèi)部的材料阻擾其運(yùn)動所造成的現(xiàn)象，而該現(xiàn)象所表現(xiàn)出來的即是我們所觀察到的發(fā)熱情形。電阻所造成的發(fā)熱現(xiàn)象不僅是影響日常的使用，在能源的利用上也是一大浪費(fèi)。每年因電線發(fā)熱所散失掉的能源相當(dāng)可觀，故傳輸時電力公司均采用高壓傳輸方式減少耗損，但能量損失問題仍未徹底解決：傳輸線的電阻仍

2、會造成能量損失，而轉(zhuǎn)換電壓時也會產(chǎn)生熱，故能源的利用效率距100%仍有一段間隔 。也許有人會想：假如有一種物質(zhì)沒有電阻，以這種物質(zhì)為材料做導(dǎo)線不就可以解決之前提到的問題了嗎？聽起來似乎不大可能，但實際上確實有這種物質(zhì)的存在。它，就是超導(dǎo)體。原理 什麼是超導(dǎo)體？顧名思義，超導(dǎo)體Superconductor是一種導(dǎo)電性較一般導(dǎo)體更佳的超級導(dǎo)體。當(dāng)溫度低於其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或稱臨界溫度Critical Temperature ; Tc時，它具有以下兩種特性 零電阻以及反磁性。零電阻於一般導(dǎo)體內(nèi)，電子通過時會與導(dǎo)體內(nèi)原子所構(gòu)成之對稱構(gòu)造晶格作用，能量部分傳遞至晶格上形成晶格振動而造成損失放熱，此為電阻之成

3、因。於金屬導(dǎo)體中，晶格與導(dǎo)電電子作用程度隨溫度上升而增加，故其電阻亦隨溫度上升；而於半導(dǎo)體中，溫度上升有助於產(chǎn)生更多導(dǎo)電電子，此效應(yīng)大於晶格與導(dǎo)電電子之作用，因此溫度上升時，電阻反而下降。超導(dǎo)體的導(dǎo)電現(xiàn)象那么與一般導(dǎo)體不同。當(dāng)溫度高於其Tc時，超導(dǎo)體表現(xiàn)出一般導(dǎo)體或半導(dǎo)體之特性，此時仍有電阻產(chǎn)生；但溫度降至Tc以下時，電子在構(gòu)造中運(yùn)動完全不會受到晶格之影響，亦即電阻完全消失圖一，此種現(xiàn)象即稱為零電阻Zero Resistance。反磁性有電必有磁，超導(dǎo)體既然具有如此特殊之電性，那麼也可能具有於不同於一般的磁特性。超導(dǎo)體在溫度高於其Tc時，其外加磁場可自由穿過其內(nèi)部，亦即超導(dǎo)體內(nèi)部可有磁場存在；

4、但溫度低於Tc時，那么超導(dǎo)體內(nèi)之磁場便全被排出其內(nèi)部，成為一零磁場狀態(tài)，即為反磁性Diamagnetism。此現(xiàn)象於1933年為Meissner發(fā)現(xiàn)，故稱為Meissner效應(yīng)圖二。開展史 超導(dǎo)體的演進(jìn)20世紀(jì)初期，低溫物理的開展由於液化氦氣技術(shù)的創(chuàng)造，使得低溫研究更進(jìn)一步地延伸到1 K左右的區(qū)域。當(dāng)時對低溫下金屬所表現(xiàn)的電性仍不清楚，以致各研究群慨法不一，因此許多科學(xué)家均積極進(jìn)展實驗來觀察分析金屬於低溫下的變化。在這些研究群中，位於荷蘭的萊登實驗室也是其中之一，而他們在1911年的發(fā)現(xiàn)那么開啟了超導(dǎo)體研究的序幕。西元1911年時，萊登實驗室的Kamerlingh-Onnes等人已將許多金屬冷

5、卻至極低溫，發(fā)現(xiàn)其電阻會隨著溫度下降而下降。在這些金屬中，某一些種類其電阻在極低溫時電阻會出乎意料的驟降為零，例如水銀Hg。水銀在4.2 K以上時仍有電阻存在，但溫度再低至4.2 K以下時，電阻突然消失了！圖三，此時電阻值已低於室溫值百萬分之一以下，於1.5 K時更是僅有十億分之一，此時水銀已進(jìn)入了一種新的狀態(tài)，而由於它的特殊電性，Kamerlingh-Onnes等人把此種特殊狀態(tài)下的水銀稱之為超導(dǎo)體。二、高考化學(xué)必備知識點：奇妙的超導(dǎo)世界1911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，汞的電阻突然消失；后來他又發(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

6、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。這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動。在他之后，人們開場把處于超導(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)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強(qiáng)大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的另一個極為重要的性質(zhì)，當(dāng)金屬處在超導(dǎo)狀態(tài)時，這一超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排斥出去。對單晶錫球進(jìn)展實驗發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線

7、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)。后來人們還做過這樣一個實驗：在一個淺平的錫盤中，放入一個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，這時可以看到，小磁鐵竟然分開錫盤外表，漸漸地飄起，懸浮不動。邁斯納效應(yīng)有著重要的意義，它可以用來判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。為了使超導(dǎo)材料有實用性，人們開場了探究高溫超導(dǎo)的歷程，從1911年至1986年，超導(dǎo)溫度由水銀的4.2K進(jìn)步到23.22K0K=-273.15；K開爾文溫標(biāo)，起點為絕對零度。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，

8、不久又升至46K和53K，2月15日發(fā)現(xiàn)了98K超導(dǎo)體，2020年10月10日，打破254K-19。高溫超導(dǎo)體獲得了宏大打破，使超導(dǎo)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。超導(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摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大進(jìn)步它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速進(jìn)步到每分鐘10萬轉(zhuǎn)以上。超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)展了載人可行性試驗，1987年開場，日本國開場試運(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，但它勢必會引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。超導(dǎo)材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗，而利用超導(dǎo)體那么可最大限度