超导极其应用

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从导电性的角度,我们把材料分为导体、绝缘体,还有半导体。那么,还有没有导电性更为奇特的材料呢?

§14~3 超导极其应用

【目的】
1、知道什么是超导现象,了解相关名词
2、了解超导的历史,知道一些重要的物理事件
3、知道超导的应用,激发勇于探索前沿科技的精神
【重点】
超导现象和应用
【教学难点】
转变温度TC和材料的必然联系
【教具】
投影仪
【教学过程】
○、复习&引入
金属导体的电阻率一般都会随着温度的升高而升高,随着温度的降低而降低,当温度降到足够低的时候,情形会怎样呢?
前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过,促使电子定向移动的因素是什么?——☆学生:电场力。制约电子定向移动的微观因素是什么?——☆学生:电子的热运动。
那么我们是不是可以这样认为,当温度足够低,热运动很微弱的时候,电子受到的阻碍作用会非常非常小呢?
下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角度,还有应用的角度阅读一下教材P156~157的内容,阅读完毕后,请同学们作相关的总结——
☆学生阅读…
★学生总结——
一、超导现象
超导现象:大多数金属在温度降到某一数值时,都会出现电阻突然降为零的现象
转变温度:导体由常态转变成超导状态的温度,用TC表示。
*两种类型的超导体:a、常规金属超导体;b、合金超导体,有两各转变温度,而且在两个转变温度之间,磁效应和电效应会出现“不一致”的情形。
二、超导的历史
年份科学家材料转变温度TC
1911(荷)昂尼斯汞4.2K
至1986上半年23K
1986年7月镧钡铜氧化物35K
1987年2月美、中钇钡铜氧化物90K
1992年初125K
*三、超导的相关研究
1、迈斯纳效应
把温度T < Tc的超导体放入磁感应强度为B02、约瑟夫森效应(超导隧道效应)
1962年,英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言:当两块超导体(S)之间用很薄(10~30 )的氧化物绝缘层(I)隔开,形成S-I-S结构,将出现量子隧道效应.这种结构称为隧道结,即使在结的两端电压为0时,也可以存在超导电流.这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森效应.约瑟夫森从结论上证明超导隧道结的一些奇特性质.例如,当两端电压V不等于0时,会出现一个高频振荡的超导电流,它的频率f满足关系式
f = V
其中e为基本电荷,h为普朗克恒量.这时隧道结好像一根能辐射电磁波的天线;反之,当频为f1的外界电磁波辐射到结上时,它的能量会被结吸收,从而在直流I-V 曲线上引起一系列电流台阶,如右图所示,其中第n个台阶处的电压满足关系式.
Vn = f1
  约瑟夫森的预言不久就被实验证实,这为一门新学科 超导电子学奠定了基础,他因此而获得1973年诺贝尔物理学奖.
3、同位素效应
1950年,麦克斯韦和雷诺等人用实验证明,临界温度TC与样品的同位素质量M 有关,M 越大,TC 越低,其关系可以用近似公式 TC = 常数来表示,这说明超导现象的形成与原子核的质量有关。
4、超导体比热在临界温度的不连续性
实验表明,超导体在临界温度TC时,比热发生不连续的变化,超导态的比热大于正常态的比热,但从正常相变为超导相时,没有吸收或放出潜热,这称为第二类相变。
四、超导的应用
1、优越的超导电机
普通发电机组中的材料载流量十分有限,由于电路中有电阻,总要发热,因此既不经济又不安全。用超导体制造电机,完全不发热,可以提高载流量,据专家计算,用超导体制作电机,功率可以提高几十倍。
2、省电的超导电路
普通的电路由于输电线的耗能严重,必须经过升压、降压的程序,而且也不可能作到完全不损耗。超导体导线则能完全解决这个问题。
3、精密的超导仪器
一些精密的仪器,如核磁共振仪、电子显微镜等对磁场有非常严格的要求(强度要高、稳定性要高、磁感线分布要理想,有时还要求很大的尺寸),普通的材料很难达到要求,超导则能解决这个问题。
4、神速的超导计算机
把超导体应用于计算机将会迎来科学史上的一次重大革命。理论研究表明:应用约瑟夫森效应制成超导器件,其开关速度可以比当前使用的半导体集成电路快十几~二十几倍,而且它消耗的电能只有现在普通计算机的1% 。
5、超导磁悬浮列车
在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。1962年,日本着手设计磁悬浮列车,但当时是利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h ,1997年,日本又试制了超导磁悬浮列车,关键部分是由两组超导电磁铁构成的,它们能提供极强的磁场,使列车的速度达到500km/h 。
四、小结
本节讲了超导的概念、名词,相关的物理学史,展望了超导的应用前景。值得注意的是,超导是一门前沿科学,还不是很成熟。大家通过学习也看到了,超导要真正走上产业化,道路还比较漫长,所以还有待我们积蓄实力、挑战未来。希望同学们树立远大志向,争取能够在不久的将来改写历史。
五、作业布置
阅读教材;
上网查询有关超导的内容;
《学海导航——物理(下)》P7~8“巩固提升”A组,做在书上
【板书设计】
见带框字符,即是板书计划。
【教后感】

【阅读】
◎磁场对超导体的影响◎
磁场对超导体的影响与超导体的材料有关.
(1)外加磁场强度超过一定值时,可以破坏超导电性.破坏超导体所需的最小磁场叫临界磁场.其磁感应强度用BC表示,用BC0表示绝对零度时的临界磁场,则大多数金属超导体的临界磁场BC与温度T 的近似关系是:

(3)磁致超导性.1962年,物理理论家V?Jacarino和M?Petar预言,可能在某些物质中会发生与外磁场破坏超导性相反的情形,用磁场可诱发超导状态.二十年后,日内瓦大学的Fischer和他的同事们用铕化合物制造出一系列磁致超导体,他们所得到的材料的性质,与理论预言精确地符合。

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