低溫下的物理效應(yīng)

1、物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用低溫下的量子效應(yīng)低溫下的量子效應(yīng)物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-2第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 熱運動往往掩蓋量子效應(yīng)，大多數(shù)量子效應(yīng)都要在低溫條熱運動往往掩蓋量子效應(yīng)，大多數(shù)量子效應(yīng)都要在低溫條件下觀察，所以件下觀察，所以獲取低溫的效應(yīng)獲取低溫的效應(yīng)是低溫下量子效應(yīng)的關(guān)鍵。是低溫下量子效應(yīng)的關(guān)鍵。絕熱膨脹制冷效應(yīng)：在絕熱膨脹過程中，與外界無熱交換，。絕熱膨脹制冷效應(yīng)：在絕熱膨脹過程中，與外界無熱交換，。 但對外做功，只得靠減小氣體內(nèi)能來補償。但對外做功，只得靠減小氣體內(nèi)能來補償。 內(nèi)能減少，分子無規(guī)則運動動能減少，即內(nèi)能減少，分子無規(guī)則運動

2、動能減少，即 溫溫 度下降。度下降。焦焦-湯效應(yīng)：氣體通過小孔有節(jié)制地從高壓向低壓流動的過程湯效應(yīng)：氣體通過小孔有節(jié)制地從高壓向低壓流動的過程 稱為節(jié)流過程。在節(jié)流過程中氣體溫度隨壓強變稱為節(jié)流過程。在節(jié)流過程中氣體溫度隨壓強變 化的現(xiàn)象稱為焦耳化的現(xiàn)象稱為焦耳-湯姆孫效應(yīng)。節(jié)流膨脹溫度下湯姆孫效應(yīng)。節(jié)流膨脹溫度下 降，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。降，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。制冷過程都是是系統(tǒng)有序度增加熵減少的過程制冷過程都是是系統(tǒng)有序度增加熵減少的過程熵排出機。熵排出機。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-3第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)激光冷卻與捕陷原子激光冷卻與捕陷原子 以往低溫多在固體或液體系統(tǒng)

3、中以往低溫多在固體或液體系統(tǒng)中實現(xiàn)，這些系統(tǒng)都包含著有較強實現(xiàn)，這些系統(tǒng)都包含著有較強的相互作用的大量粒子。的相互作用的大量粒子。20世紀(jì)世紀(jì)80年代，借助于激光技術(shù)獲得了年代，借助于激光技術(shù)獲得了中性氣體分子的極低溫（例如，中性氣體分子的極低溫（例如，1010K）狀態(tài)，這種獲得低溫的）狀態(tài)，這種獲得低溫的方法就叫激光冷卻。方法就叫激光冷卻。 絕熱去磁制冷效應(yīng)：借助磁場使某些順磁鹽中的電子自旋磁絕熱去磁制冷效應(yīng)：借助磁場使某些順磁鹽中的電子自旋磁 矩排列有序，等溫磁化減少熵，再進(jìn)行矩排列有序，等溫磁化減少熵，再進(jìn)行 絕熱去磁，使順磁鹽的溫度降低。絕熱去磁，使順磁鹽的溫度降低。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物

4、理效應(yīng)及其應(yīng)用5-4第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。室溫下金屬導(dǎo)體的電阻率10-8m 10-6 m.絕緣體：不容易導(dǎo)電的物體。室溫下絕緣的電阻率108m 1018 m.這種低溫下的零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。這種低溫下的零電阻現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。一、超導(dǎo)現(xiàn)象一、超導(dǎo)現(xiàn)象(Superconductivity)具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體。具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體。1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到到-268.98C時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合時，汞的電阻突然消失；后來他又發(fā)

5、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，卡茂林導(dǎo)電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)昂尼斯稱之為超導(dǎo)態(tài)?？钟捎谒倪@一發(fā)現(xiàn)獲得了獲得了1913年諾貝爾獎。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，人們開始把處這一發(fā)現(xiàn)引起了世界范圍內(nèi)的震動。在他之后，人們開始把處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的。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)低溫下突然消失，被稱作零電

6、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)線中流大的電超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中流大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。流，從而產(chǎn)生超強磁場。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-5第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)臨界溫度臨界溫度TC:超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?。超?dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟?。TTC , 為普通金屬態(tài)迄今已知，超導(dǎo)體的電阻率遠(yuǎn)小于10-25cm。而00C普通導(dǎo)體的電阻率為1.610-6 cm。臨界磁場臨界磁場HC(T)磁場超過HC(T)時，即使時，即使TTC，普通金屬態(tài)普通金屬態(tài)超導(dǎo)態(tài)超導(dǎo)態(tài)HC(T)超導(dǎo)態(tài)普通金屬態(tài)TT

7、CHC(0)0 相平相平衡曲衡曲線線汞電阻隨溫度變化物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-6第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 所謂所謂“電阻消失電阻消失”，只是說電阻小于儀表的最小可測電阻。，只是說電阻小于儀表的最小可測電阻。 正常導(dǎo)體組成的回路有電阻正常導(dǎo)體組成的回路有電阻 電能的損耗電能的損耗(熱熱).如果回路沒有電阻如果回路沒有電阻 沒有電能的損耗。沒有電能的損耗。電流可以持續(xù)地存在下去電流可以持續(xù)地存在下去零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個基本性質(zhì)之一。零電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個基本性質(zhì)之一。 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-7第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 具有超導(dǎo)電

8、性的物質(zhì)叫超導(dǎo)體，超導(dǎo)體電阻突然變?yōu)榱愕臏囟冉谐瑢?dǎo)臨界溫度。至今已發(fā)現(xiàn)有28種元素、幾千種合金和化合物是超導(dǎo)體。超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時，不僅其內(nèi)的電阻為零，而體內(nèi)的磁場也為零，表現(xiàn)出完全的抗磁性。長期以來，人們發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)體只能在低溫液氦區(qū)（4K左右）工作，這就需要許多低溫設(shè)備和技術(shù)，費用很高且不方便，因而限制了超導(dǎo)體的應(yīng)用。60年代開始，人們一直在探索把超導(dǎo)臨界溫度提高到液氮溫區(qū)（77K）以上的辦法，這就是高溫超導(dǎo)研究。1986年高溫超導(dǎo)研究取得了突破性的發(fā)展，科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)了許多高溫超導(dǎo)物質(zhì)?，F(xiàn)在高溫超導(dǎo)體的臨界溫度已達(dá)到130K左右，使超導(dǎo)體已走出了液氦的陰影，為人類挖掘超導(dǎo)電性所隱藏的寶藏

9、開辟了廣闊的前景。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-8第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)1986年4月發(fā)現(xiàn)鋇一鑭氧化物制成的陶瓷材料具有35K的轉(zhuǎn)變溫度， 1986年12月23日日本宣布研制出375K的超導(dǎo)材料； 1986年12月25號美國貝爾實驗室獲得40K的超導(dǎo)材料； 1986年12月26號中國科學(xué)院獲得486K的超導(dǎo)材料； 1987年2月16號休斯頓大學(xué)美籍華人朱經(jīng)武獲得98K的超導(dǎo)材料； 1987年2月14號中國物理學(xué)家趙忠賢獲得110K的超導(dǎo)材料； 1987年3月9號，日本宣布獲得175K的超導(dǎo)材料； 1987年3月，中國科技大學(xué)獲得215K的超導(dǎo)材料. 1933年，荷蘭

10、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)的磁感興強度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對單晶錫球興強度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對單晶錫球進(jìn)行實驗發(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)生進(jìn)行實驗發(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，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了，人們將這種變化，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)象稱之為現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)”。 物理效應(yīng)

11、及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-9第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)完全抗磁性完全抗磁性 A 正常態(tài)金屬球B超導(dǎo)態(tài)金屬球D升高溫度至超導(dǎo)態(tài)金屬球沿不同路徑在正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間轉(zhuǎn)換金屬球沿不同路徑在正常態(tài)與超導(dǎo)態(tài)之間轉(zhuǎn)換C增大磁場至超導(dǎo)態(tài)D超導(dǎo)態(tài)金屬球B增大磁場至正常態(tài)C降低溫度至超導(dǎo)態(tài)A 正常態(tài)金屬球物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-10第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 實驗表明，不管是先降溫后加磁場，還是先加磁場后降溫，使金屬由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時，磁場力線將全部排擠出超導(dǎo)體外，超導(dǎo)體內(nèi)恒有磁感應(yīng)強度B=0。這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。完全抗磁性的反映超導(dǎo)

12、懸?。砍瑢?dǎo)體內(nèi)部磁場變?yōu)榱銜r，由于電流沿超導(dǎo)體表面流過，這表面電流產(chǎn)生的磁場與外磁場抵償?shù)慕Y(jié)果。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-11第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)1913年翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在超導(dǎo)線中的電流 超過某一臨界值時，超導(dǎo)線轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)， 1914年他又用實驗表明，超導(dǎo)態(tài)也可以被外加磁場破壞，相應(yīng)的電流稱為臨界電流Ic， 相應(yīng)的磁場稱為臨界磁場Hc。左圖為Nb3Sn的磁場，電流與溫度的關(guān)系。 在無外加磁場情況下，臨界電流在超導(dǎo)體表面所產(chǎn)生在無外加磁場情況下，臨界電流在超導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的磁場恰好等于臨界磁場。的磁場恰好等于臨界磁場。臨界電流臨界電流物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及

13、其應(yīng)用5-12第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) BCS理論理論是用量子力學(xué)來描述超導(dǎo)體系統(tǒng)狀態(tài)的理論。1957年，美國依利諾伊大學(xué)的物理學(xué)家巴丁、庫柏和施里弗提出了這一理論，后來以三位科學(xué)家姓名第一個大寫字母命名，稱之為 BCS理論。這一理論的核心是計算出導(dǎo)體中存在電子相互吸引從而形成一種共振態(tài)，即存在“電子對”（稱為庫柏對 /rsavage/cooperpairs.htmlCoopers pairs)，該理論較好地解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象。正常態(tài)的電子是互相排斥的，超導(dǎo)態(tài)時，電子相互作用，使電子兩兩相互吸引，形成電子對，稱之庫柏對。含有庫柏對電子的金屬具有較低的能態(tài)

14、。量子力學(xué)可以說明電子對的總動量在與金屬正離子碰撞時不損失，在低能態(tài)下，庫柏對電子就像無阻力的流體一樣易于流動。因此巴丁、庫珀、施里弗榮獲1972年諾貝爾物理獎。特征參數(shù)：臨界溫度臨界溫度TC，臨界磁場臨界磁場HC(T)，臨界電流密度，臨界電流密度jc 。超導(dǎo)電性：超導(dǎo)電性：=0，B=0.物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-13第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)“庫柏對庫柏對”的產(chǎn)生的產(chǎn)生 因為金屬中的電子并不完全自由，他們通過點陣相互發(fā)生相互作用，即當(dāng)一個自由電子吸引鄰近的點陣離子時，鄰近的點陣離子會向自由電子靠攏，是晶格發(fā)生畸變，局部正電荷密度變大局部正電荷性，吸引別的電子，僅效

15、果是一個自由電子和另一個自由電子互相吸引。低溫時兩個自由電子束縛成一個集團(tuán)電子對（庫柏對）。 在室溫下，金屬中不可能有大量自由電子組成穩(wěn)定的電子對，因為晶格離子的無規(guī)則熱運動會破壞瞬間存在的分子軌道，使自由電子不可能組成穩(wěn)定的電子對。 自由電子組成的電子對通過晶格運動時不受阻力，是因為當(dāng)電子對中的一個電子受到晶格的散射（或偏析）而改變其動量時，另一個電子也同時要受到影響而發(fā)生相反的動量改變。其結(jié)果是自由電子組成的電子對定向運動的總動量不變。所以晶格既不能減慢也不能加快自由電子組成的電子對的定向運動，在宏觀上表現(xiàn)為超導(dǎo)體對電流的電阻為零。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-14第五講低溫下的量子

16、效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 1962年年約瑟夫森正在英國劍橋大學(xué)當(dāng)研究生。他從理論上作約瑟夫森正在英國劍橋大學(xué)當(dāng)研究生。他從理論上作出預(yù)言，對于超導(dǎo)體出預(yù)言，對于超導(dǎo)體-絕緣層絕緣層-超導(dǎo)體互相接觸的結(jié)構(gòu)（也叫超導(dǎo)體互相接觸的結(jié)構(gòu)（也叫S-IS結(jié)構(gòu)），只要絕緣層足夠薄，超導(dǎo)體內(nèi)的電子對就有可能穿透結(jié)構(gòu)），只要絕緣層足夠薄，超導(dǎo)體內(nèi)的電子對就有可能穿透緣層勢壘，導(dǎo)致如下效應(yīng)：緣層勢壘，導(dǎo)致如下效應(yīng)：（1）在恒定電壓下，既有直流超導(dǎo)電流產(chǎn)生，也有交流超流，其）在恒定電壓下，既有直流超導(dǎo)電流產(chǎn)生，也有交流超流，其頻率為頻率為2eV/h；（2）在零電壓下，有直流超流產(chǎn)生，這一）在零電壓下，有直流超流產(chǎn)

17、生，這一電流對磁場非常敏感，磁場加大，電流將迅電流對磁場非常敏感，磁場加大，電流將迅速減??；速減??；（3）如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，）如果在直流電壓上再疊加一交流電壓，其頻率為其頻率為v，則會出現(xiàn)一零斜率的電阻區(qū)，則會出現(xiàn)一零斜率的電阻區(qū)，在這個區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分，電壓在這個區(qū)域內(nèi)電流有傅里葉成分，電壓V與與v的關(guān)系為的關(guān)系為2eV/hnv（其中（其中n為整數(shù)）。為整數(shù)）。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-15第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 1962年英國劍橋大學(xué)研究生約瑟夫遜推測 BCS理論提到的庫柏對也可通過薄絕緣層，即“電子對”能穿過薄絕緣層（隧道效應(yīng)），在薄

18、絕緣層隔開的兩種超導(dǎo)材料之間有電流通過；同時還產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象，如電流通過薄絕緣層無需加電壓，倘若加電壓，電流反而停止而產(chǎn)生高頻振蕩。這一超導(dǎo)物理現(xiàn)象稱為“約瑟夫遜效應(yīng)”。這些預(yù)言于1963年在美國的貝爾實驗室被羅威爾等人用試驗證實了，“約瑟夫遜效應(yīng)”有力的支持了“BCS理論”。約瑟夫森則獲得1973年度諾貝爾物理獎。超導(dǎo)隧道效應(yīng)超導(dǎo)隧道效應(yīng)二、約瑟夫森效應(yīng)二、約瑟夫森效應(yīng)物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-16第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)正常電子隧道：當(dāng)兩塊金屬被一個薄的絕緣體分開時，在它們正常電子隧道：當(dāng)兩塊金屬被一個薄的絕緣體分開時，在它們之間可以有電流通過，稱此金屬之

19、間可以有電流通過，稱此金屬-絕緣體絕緣體-金屬疊層為隧道結(jié)；金屬疊層為隧道結(jié)；電流稱為隧道電流。（電流稱為隧道電流。（N-I-N 結(jié)）結(jié)）金屬金屬超導(dǎo)體VI超導(dǎo)隧道：當(dāng)一塊金屬變成一個超導(dǎo)體時結(jié)電阻猛烈地增加。超導(dǎo)隧道：當(dāng)一塊金屬變成一個超導(dǎo)體時結(jié)電阻猛烈地增加。 （N-I-S 結(jié)）。單電子隧道結(jié)）。單電子隧道超導(dǎo)隧道：相同超導(dǎo)體之間的隧道超導(dǎo)隧道：相同超導(dǎo)體之間的隧道雙電子隧道（雙電子隧道（S-I-S 結(jié)）。結(jié)）。三、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用三、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用 超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，涉及輸電、電機、交通運輸、超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，涉及輸電、電機、交通運輸、微電子和電子計算機、生物工程、醫(yī)療、軍事等

20、領(lǐng)域，這種微電子和電子計算機、生物工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，這種新技術(shù)軍民兼用，可研制出新技術(shù)軍民兼用，可研制出“雙重雙重”產(chǎn)品，將獲得極大的社會產(chǎn)品，將獲得極大的社會效益和軍事效益效益和軍事效益. 絕緣體物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-17第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)在電力工程方面的應(yīng)用在電力工程方面的應(yīng)用 超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大超導(dǎo)輸電在原則上可以做到?jīng)]有焦耳熱的損耗，因而可節(jié)省大量能源；用超導(dǎo)線圈儲存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈量能源；用超導(dǎo)線圈儲存能量在軍事上有重大應(yīng)用，超導(dǎo)線圈用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而

21、用于發(fā)電機和電動機可以大大提高工作效率、降低損耗，從而導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革導(dǎo)致電工領(lǐng)域的重大變革. 超導(dǎo)技術(shù)在交通運輸方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在交通運輸方面的應(yīng)用 動用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受動用超導(dǎo)體產(chǎn)生的強磁場可以研制成磁懸浮列車，車輛不受地面阻力的影響，可高速運行，車速達(dá)地面阻力的影響，可高速運行，車速達(dá)500km/h以上，若讓超以上，若讓超導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運行，車速可達(dá)導(dǎo)磁懸浮列車在真空中運行，車速可達(dá)1600km/h，利用超導(dǎo)體，利用超導(dǎo)體制成無摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高制成無摩擦軸承，用于發(fā)射火箭，可將發(fā)射速度提高3倍以上倍以上. 超導(dǎo)技術(shù)在電

22、子工程方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在電子工程方面的應(yīng)用 用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、用超導(dǎo)技術(shù)制成各種儀器，具有靈敏度高、噪聲低、反應(yīng)快、損耗小等特點，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)帷⑹?、各損耗小等特點，如用超導(dǎo)量子干涉儀可確定地?zé)帷⑹?、各種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預(yù)報種礦藏的位置和儲量，并可用于地震預(yù)報. 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-18第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用 超導(dǎo)磁體在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用是核磁共振成像技術(shù)，可分辨早期腫瘤癌細(xì)胞等，還可做心電圖，腦磁圖、肺磁圖，研究氣功原理等. 超導(dǎo)技

23、術(shù)在軍事上的應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用 超導(dǎo)儲能裝置在定向武器上的應(yīng)用使定向武器發(fā)生飛躍的發(fā)展.超導(dǎo)發(fā)電機，推進(jìn)器在飛機上的應(yīng)用可大大提高飛機的生存能力，在航海中的應(yīng)用，可大大減小甚至沒有噪音，推進(jìn)速度快，可大大提高艦艇的生存、作戰(zhàn)能力，超導(dǎo)計算機應(yīng)用于C3I指揮系統(tǒng)，可使作戰(zhàn)指揮能力迅速改善提高等等. 隨著超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，高溫氧化物超導(dǎo)材料和有機物超導(dǎo)材料將不斷問世，目前超導(dǎo)還只應(yīng)用在科學(xué)實驗和高技術(shù)中，例如中國科學(xué)院合肥等離子體物理研究所，采用超導(dǎo)技術(shù)建成托卡馬克實驗裝置(磁約束裝置)，放電300ms，電流I=150kA，使我國核聚變研究能力向前跨進(jìn)一大步. 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及

24、其應(yīng)用5-19第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)國家科委國家科委(91)國科發(fā)高字126號關(guān)于印發(fā)關(guān)于印發(fā)超導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)匯報會紀(jì)要超導(dǎo)技術(shù)戰(zhàn)略目標(biāo)匯報會紀(jì)要的通知的通知 中國科學(xué)院院長周光召同志說：中國科學(xué)院院長周光召同志說：“超導(dǎo)是物理學(xué)、材料科學(xué)超導(dǎo)是物理學(xué)、材料科學(xué)中最熱門的前沿。在全世界激烈競爭的情況下，中國的科學(xué)家中最熱門的前沿。在全世界激烈競爭的情況下，中國的科學(xué)家和研究生們，奮力拼搏，在各方面做出了很好的成績，表示了和研究生們，奮力拼搏，在各方面做出了很好的成績，表示了中國科技界這部分力量是非常寶貴的，是值得我們國家引為驕中國科技界這部分力量是非常寶貴的，是值得我們國

25、家引為驕傲的一支科技力量。傲的一支科技力量?！蔽锢硇?yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-20第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)奇異的超導(dǎo)陶瓷奇異的超導(dǎo)陶瓷1973年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金年，人們發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為為23.2K，該記錄保持了，該記錄保持了13年。年。1986年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國年，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧）具有35K的的高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體氧化物陶瓷是絕緣體”的觀念，引起世界的觀念，引起世界科學(xué)界的

26、轟動。此后，科學(xué)家們爭分奪秒地攻關(guān)，幾乎每隔幾天，科學(xué)界的轟動。此后，科學(xué)家們爭分奪秒地攻關(guān)，幾乎每隔幾天，就有新的研究成果出現(xiàn)。就有新的研究成果出現(xiàn)。1986年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超年底，美國貝爾實驗室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到導(dǎo)溫度達(dá)到40K，液氫的，液氫的“溫度壁壘溫度壁壘”（40K）被跨越。）被跨越。1987年年2月，月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)（以上，液氮的禁區(qū)（77K）也奇）也奇跡般地被

27、突破了。跡般地被突破了。1987年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從。從19861987年的短短一年多的時間年的短短一年多的時間里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了100K以上，這在材料發(fā)展史，乃至科以上，這在材料發(fā)展史，乃至科技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！技發(fā)展史上都堪稱是一大奇跡！物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-21第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 國外超導(dǎo)材料的截面很像普通銅線線圈?？墒牵粲蔑@微鏡國外超導(dǎo)材料的截面很像普通銅線線圈?？墒牵粲蔑@微鏡將其放大，便可觀察到，在一根銅線之

28、中填滿了無數(shù)條極細(xì)的鈮將其放大，便可觀察到，在一根銅線之中填滿了無數(shù)條極細(xì)的鈮鈦合金超導(dǎo)絲。鈦合金超導(dǎo)絲。將這種銅線一層一層纏繞起來，在真空中灌進(jìn)足夠的環(huán)氧樹將這種銅線一層一層纏繞起來，在真空中灌進(jìn)足夠的環(huán)氧樹脂，使之牢固地固定住，便制得超導(dǎo)線圈。日本富士、三菱的脂，使之牢固地固定住，便制得超導(dǎo)線圈。日本富士、三菱的6MVA超導(dǎo)發(fā)電機中所使用的，就是在超導(dǎo)發(fā)電機中所使用的，就是在3mm的方形銅線中填入數(shù)百的方形銅線中填入數(shù)百根比頭發(fā)還細(xì)、直徑僅為根比頭發(fā)還細(xì)、直徑僅為40微米的鈮鈦超導(dǎo)合金細(xì)絲。采用這樣微米的鈮鈦超導(dǎo)合金細(xì)絲。采用這樣的結(jié)構(gòu)能通過大電流而毫無損耗。的結(jié)構(gòu)能通過大電流而毫無損耗。

29、鈮鈦合金在負(fù)鈮鈦合金在負(fù)264以下的超低溫液氦中電阻為零。而堪稱以下的超低溫液氦中電阻為零。而堪稱新一代材料的鈮新一代材料的鈮8錫并非合金而是鈮和錫的化合物，這種材料具錫并非合金而是鈮和錫的化合物，這種材料具有超導(dǎo)特性的溫度，約比鈮鈦合金高有超導(dǎo)特性的溫度，約比鈮鈦合金高10左右，并且易于設(shè)計。左右，并且易于設(shè)計。但是鈮三錫性脆，不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細(xì)絲。因此，國外但是鈮三錫性脆，不像鈮鈦合金那樣能拉拔成細(xì)絲。因此，國外用銅合金（銅與錫的合金）包覆純鈮絲材，外面再用純銅包覆制用銅合金（銅與錫的合金）包覆純鈮絲材，外面再用純銅包覆制成細(xì)絲。把這種細(xì)絲置于加熱爐中加熱，使錫滲入鈮中，形成鈮成細(xì)

30、絲。把這種細(xì)絲置于加熱爐中加熱，使錫滲入鈮中，形成鈮3錫。錫。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-22第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超群的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導(dǎo)輸電線路等。超導(dǎo)發(fā)電機在電力領(lǐng)域，利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬6萬高斯，并且?guī)缀鯖]有能量損失，這種發(fā)電機便是交流超導(dǎo)發(fā)電機。超

31、導(dǎo)發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高510倍，達(dá)1萬兆瓦，而體積卻減少1/2，整機重量減輕1/3，發(fā)電效率提高50。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-23第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)線圈制的轉(zhuǎn)子浸入液氦中，為與外部隔熱，可仿照保溫瓶超導(dǎo)線圈制的轉(zhuǎn)子浸入液氦中，為與外部隔熱，可仿照保溫瓶的形式，將其包覆在真空間隙內(nèi)，由于轉(zhuǎn)子以每分鐘的形式，將其包覆在真空間隙內(nèi)，由于轉(zhuǎn)子以每分鐘3600轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，故對支撐它的結(jié)構(gòu)材料提出了特殊的性能要求。即既能經(jīng)受超低故對支撐它的結(jié)構(gòu)材料提出了特殊的性能要求。即既能經(jīng)受超低溫，又不被磁化。因為萬一液氦漏泄，整個發(fā)電站內(nèi)部就會立即溫，又

32、不被磁化。因為萬一液氦漏泄，整個發(fā)電站內(nèi)部就會立即凍成冰山。凍成冰山。為此，國外采用了噴氣飛機引擎用的因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐為此，國外采用了噴氣飛機引擎用的因科內(nèi)爾鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金，或蝕合金，或A286高鎳合金，或鈦合金。高鎳合金，或鈦合金。 發(fā)電機是在定子產(chǎn)生的磁場中，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電流的，發(fā)電機是在定子產(chǎn)生的磁場中，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電流的，也可以利用水力或煤、石油、原子能等產(chǎn)生的蒸汽動力使轉(zhuǎn)子也可以利用水力或煤、石油、原子能等產(chǎn)生的蒸汽動力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子雖是一個巨大的線圈，若它產(chǎn)生的強大電流旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子雖是一個巨大的線圈，若它產(chǎn)生的強大電流毫無損失，這就是解決制造高效率發(fā)電機

33、的方法。正由于超導(dǎo)毫無損失，這就是解決制造高效率發(fā)電機的方法。正由于超導(dǎo)是電流損失為零的狀態(tài)，所以若把其應(yīng)用于線圈上，則可以達(dá)是電流損失為零的狀態(tài)，所以若把其應(yīng)用于線圈上，則可以達(dá)到最大限度的發(fā)電效率。到最大限度的發(fā)電效率。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-24第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)輸電線路超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。超導(dǎo)體在電力能源、超導(dǎo)磁體、生物、醫(yī)療科

34、技、通信和微電子等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在電力能源方面，包括輸電電纜、線流器、電動機、發(fā)電機、變壓器、超導(dǎo)儲能系統(tǒng)在內(nèi)的一系列超導(dǎo)產(chǎn)品將給電力的發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響，以至于美國能源部的專家認(rèn)為“超導(dǎo)電力技術(shù)是21世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲備”，日本專家也認(rèn)為“發(fā)展超導(dǎo)電力技術(shù)是在21世紀(jì)保持尖端優(yōu)勢的關(guān)鍵所在”。前景廣闊的超導(dǎo)兵器前景廣闊的超導(dǎo)兵器快速高效的超導(dǎo)通信快速高效的超導(dǎo)通信高度靈敏的超導(dǎo)探測高度靈敏的超導(dǎo)探測 物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-25第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)磁懸浮列車?yán)贸瑢?dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料放在一塊永久磁體的上方，由于磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)

35、體，磁體和超導(dǎo)體之間會產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在磁體上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車。利用超導(dǎo)體的抗磁性可以實現(xiàn)磁懸浮。由于超導(dǎo)盤把磁感應(yīng)線排斥出去， 超導(dǎo)盤跟磁鐵之間有排斥力，結(jié)果磁鐵懸浮在超導(dǎo)盤的上方。這種超導(dǎo)懸浮在工程技術(shù)中是可以大大利用的， 超導(dǎo)懸浮列車就是一例。讓列車懸浮起來，與軌道脫離接觸，這樣列車在運行時的阻力降低很多，沿軌道“飛行”的速度可達(dá)500公里/小時。高溫超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)以后，超導(dǎo)態(tài)可以在液氮溫區(qū)(零下169度以上)出現(xiàn)，超導(dǎo)懸浮的裝置更為簡單， 成本也大為降低。我國的西南交通大學(xué)于1994年成功地研制了高溫超導(dǎo)懸浮實驗車。上?？茖W(xué)院磁浮技術(shù)首席專家、上師大

36、退休教授魏樂漢上?？茖W(xué)院磁浮技術(shù)首席專家、上師大退休教授魏樂漢日本自1962年起就開始了直線電機推動懸浮方式列車的預(yù)研制工作。至1999年2月10日，隨著在日本山梨縣境內(nèi)進(jìn)行的5節(jié)車輛時速500公里荷重270人分編組運行試驗的成功，日本超導(dǎo)磁浮列車的研制已近尾聲物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-26第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng)超導(dǎo)核磁共振譜儀物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-27第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 超導(dǎo)計算機高速計算機要求集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發(fā)生大量的熱，而散熱是超大規(guī)模集成電路面臨的難題。超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件來制作，不存在散熱問題，同時計算機的運算速度大大提高。此外，科學(xué)家正研究用半導(dǎo)體和超導(dǎo)體來制造晶體管，甚至完全用超導(dǎo)體來制作晶體管。物理效應(yīng)及其應(yīng)用物理效應(yīng)及其應(yīng)用5-28第五講低溫下的量子效應(yīng)第五講低溫下的量子效應(yīng) 綠色交通工具綠色交通工具磁懸浮列車磁懸浮列車 磁懸浮列車不使用車輪，是依靠電磁作用力把車輛懸浮在軌道上方，導(dǎo)引與驅(qū)動車輛，除了空氣摩擦之外，沒有輪軌接