超導(dǎo)及其應(yīng)用

1、04 超導(dǎo)極其應(yīng)用【教學(xué)目的】1、知道什么是超導(dǎo)現(xiàn)象，了解相關(guān)名詞2、了解超導(dǎo)的歷史，知道一些重要的物理事件3、知道超導(dǎo)的應(yīng)用，激發(fā)勇于探索前沿科技的精神【教學(xué)重點(diǎn)】超導(dǎo)現(xiàn)象和應(yīng)用【教學(xué)難點(diǎn)】轉(zhuǎn)變溫度TC和材料的必然聯(lián)系【教具】投影儀【教學(xué)過(guò)程】從導(dǎo)電性的角度，我們把材料分為導(dǎo)體、絕緣體，還有半導(dǎo)體。那么，還有沒(méi)有導(dǎo)電性更為奇特的材料呢？、復(fù)習(xí)引入金屬導(dǎo)體的電阻率一般都會(huì)隨著溫度的升高而升高，隨著溫度的降低而降低，當(dāng)溫度降到足夠低的時(shí)候，情形會(huì)怎樣呢？前面我們從理論的角度解釋電阻定律時(shí)曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，促使電子定向移動(dòng)的因素是什么？學(xué)生：電場(chǎng)力。制約電子定向移動(dòng)的微觀因素是什么？學(xué)生：電子的熱運(yùn)動(dòng)。那

2、么我們是不是可以這樣認(rèn)為，當(dāng)溫度足夠低，熱運(yùn)動(dòng)很微弱的時(shí)候，電子受到的阻礙作用會(huì)非常非常小呢？下面大家從事實(shí)的角度、歷史的角度、材料的角度，還有應(yīng)用的角度閱讀一下教材P156157的內(nèi)容，閱讀完畢后，請(qǐng)同學(xué)們作相關(guān)的總結(jié)學(xué)生閱讀學(xué)生總結(jié)一、超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象：大多數(shù)金屬在溫度降到某一數(shù)值時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)電阻突然降為零的現(xiàn)象轉(zhuǎn)變溫度：導(dǎo)體由常態(tài)轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)狀態(tài)的溫度，用TC表示。*兩種類型的超導(dǎo)體：a、常規(guī)金屬超導(dǎo)體；b、合金超導(dǎo)體，有兩各轉(zhuǎn)變溫度，而且在兩個(gè)轉(zhuǎn)變溫度之間，磁效應(yīng)和電效應(yīng)會(huì)出現(xiàn)“不一致”的情形。二、超導(dǎo)的歷史年份科學(xué)家材料轉(zhuǎn)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(dǎo)的相關(guān)研究1、邁斯納效應(yīng)把溫度T < Tc的超導(dǎo)體放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0<BC的外磁場(chǎng)中，超導(dǎo)體內(nèi)部的磁應(yīng)強(qiáng)度等于0；如果是在T < Tc時(shí)，加B0<BC的外磁場(chǎng)，再降溫到TC以下時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B也變?yōu)?，即磁場(chǎng)被“排擠”出超導(dǎo)體外這表明超導(dǎo)體是“完全抗磁體”，超導(dǎo)體的完全抗磁效應(yīng)是邁斯納和奧森費(fèi)爾德在1933年發(fā)現(xiàn)的，現(xiàn)在稱為邁斯納效應(yīng)。2、約瑟夫森效應(yīng)（超導(dǎo)隧道效應(yīng)）1962年，英國(guó)劍橋大學(xué)的研究生約瑟夫森從理論上預(yù)言：當(dāng)兩塊超導(dǎo)體（S）之間用很?。?030）的

4、氧化物絕緣層（I）隔開(kāi)，形成SIS結(jié)構(gòu)，將出現(xiàn)量子隧道效應(yīng)這種結(jié)構(gòu)稱為隧道結(jié)，即使在結(jié)的兩端電壓為0時(shí)，也可以存在超導(dǎo)電流這種超導(dǎo)隧道效應(yīng)現(xiàn)在稱為約瑟夫森效應(yīng)約瑟夫森從結(jié)論上證明超導(dǎo)隧道結(jié)的一些奇特性質(zhì)例如，當(dāng)兩端電壓V不等于0時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高頻振蕩的超導(dǎo)電流，它的頻率f滿足關(guān)系式f = V其中e為基本電荷，h為普朗克恒量這時(shí)隧道結(jié)好像一根能輻射電磁波的天線；反之，當(dāng)頻為f1的外界電磁波輻射到結(jié)上時(shí)，它的能量會(huì)被結(jié)吸收，從而在直流I-V 曲線上引起一系列電流臺(tái)階，如右圖所示，其中第n個(gè)臺(tái)階處的電壓滿足關(guān)系式Vn = f1約瑟夫森的預(yù)言不久就被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這為一門(mén)新學(xué)科超導(dǎo)電子學(xué)奠定了基礎(chǔ)，他因此

5、而獲得1973年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)3、同位素效應(yīng)1950年，麥克斯韋和雷諾等人用實(shí)驗(yàn)證明，臨界溫度TC與樣品的同位素質(zhì)量M 有關(guān)，M 越大，TC 越低，其關(guān)系可以用近似公式TC = 常數(shù)來(lái)表示，這說(shuō)明超導(dǎo)現(xiàn)象的形成與原子核的質(zhì)量有關(guān)。4、超導(dǎo)體比熱在臨界溫度的不連續(xù)性實(shí)驗(yàn)表明，超導(dǎo)體在臨界溫度TC時(shí)，比熱發(fā)生不連續(xù)的變化，超導(dǎo)態(tài)的比熱大于正常態(tài)的比熱，但從正常相變?yōu)槌瑢?dǎo)相時(shí)，沒(méi)有吸收或放出潛熱，這稱為第二類相變。四、超導(dǎo)的應(yīng)用1、優(yōu)越的超導(dǎo)電機(jī)普通發(fā)電機(jī)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(jì)又不安全。用超導(dǎo)體制造電機(jī)，完全不發(fā)熱，可以提高載流量，據(jù)專家計(jì)算，用超導(dǎo)體制作

6、電機(jī)，功率可以提高幾十倍。2、省電的超導(dǎo)電路普通的電路由于輸電線的耗能?chē)?yán)重，必須經(jīng)過(guò)升壓、降壓的程序，而且也不可能作到完全不損耗。超導(dǎo)體導(dǎo)線則能完全解決這個(gè)問(wèn)題。3、精密的超導(dǎo)儀器一些精密的儀器，如核磁共振儀、電子顯微鏡等對(duì)磁場(chǎng)有非常嚴(yán)格的要求（強(qiáng)度要高、穩(wěn)定性要高、磁感線分布要理想，有時(shí)還要求很大的尺寸），普通的材料很難達(dá)到要求，超導(dǎo)則能解決這個(gè)問(wèn)題。4、神速的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)把超導(dǎo)體應(yīng)用于計(jì)算機(jī)將會(huì)迎來(lái)科學(xué)史上的一次重大革命。理論研究表明：應(yīng)用約瑟夫森效應(yīng)制成超導(dǎo)器件，其開(kāi)關(guān)速度可以比當(dāng)前使用的半導(dǎo)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(jì)算機(jī)的1% 。5、超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)在超導(dǎo)磁懸

7、浮列車(chē)的研究中走在最前列十日本。1962年，日本著手設(shè)計(jì)磁懸浮列車(chē)，但當(dāng)時(shí)是利用正常導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)速達(dá)到307.8km/h ，1997年，日本又試制了超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)，關(guān)鍵部分是由兩組超導(dǎo)電磁鐵構(gòu)成的，它們能提供極強(qiáng)的磁場(chǎng)，使列車(chē)的速度達(dá)到500km/h 。四、小結(jié)本節(jié)講了超導(dǎo)的概念、名詞，相關(guān)的物理學(xué)史，展望了超導(dǎo)的應(yīng)用前景。值得注意的是，超導(dǎo)是一門(mén)前沿科學(xué)，還不是很成熟。大家通過(guò)學(xué)習(xí)也看到了，超導(dǎo)要真正走上產(chǎn)業(yè)化，道路還比較漫長(zhǎng)，所以還有待我們積蓄實(shí)力、挑戰(zhàn)未來(lái)。希望同學(xué)們樹(shù)立遠(yuǎn)大志向，爭(zhēng)取能夠在不久的將來(lái)改寫(xiě)歷史。五、作業(yè)布置閱讀教材；上網(wǎng)查詢有關(guān)超導(dǎo)的內(nèi)容；學(xué)海導(dǎo)航物理（下）P78“鞏固提升”A組，做在書(shū)上【板書(shū)設(shè)計(jì)】見(jiàn)帶框字符，即是板書(shū)計(jì)劃?！窘毯蟾小俊鹃喿x】磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)體的影響磁場(chǎng)對(duì)超導(dǎo)體的影響與超導(dǎo)體的材料有關(guān)（1）外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，可以破壞超導(dǎo)電性破壞超導(dǎo)體所需的最小磁場(chǎng)叫臨界磁場(chǎng)其磁感應(yīng)強(qiáng)度用BC表示，用BC0表示絕對(duì)零度時(shí)的臨界磁場(chǎng)，則大多數(shù)金屬超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)BC與溫度T 的近似關(guān)系是： （3）磁致超導(dǎo)性1962年，物理理論家V·Jacar