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高中化學 教學素材:超導(dǎo)體導(dǎo)電原理

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高中化學 教學素材:超導(dǎo)體導(dǎo)電原理

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超導(dǎo)體導(dǎo)電原理
[實驗] ?1911年荷蘭著名物理學家卡梅林·昂內(nèi)斯首次將氮液化,獲得了4.6K(-268.4℃)的低溫。當昂內(nèi)斯將金屬汞置于低溫液氮中,發(fā)現(xiàn)汞的電阻急劇下降,直至消失,電阻為零!這在當時簡直是不可思議。超導(dǎo)的原理是什么?物理學面臨新的課題.
超導(dǎo)現(xiàn)象總是在溫度很低的條件下發(fā)生,人們把超導(dǎo)體發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象時的溫度稱做臨界溫度。人為地制作低溫是很麻煩的,顯然,臨界溫度越高超導(dǎo)材料的應(yīng)用就越方便,越有應(yīng)用價值,于是世界各國的科研大軍又致力于研制高臨界溫度的超導(dǎo)材料,超導(dǎo)材料開始進入實用階段。
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[分析] ??面對電阻為零的超導(dǎo)之謎,各種學說應(yīng)運而生:有的說在產(chǎn)生了電子隧道;有的說是在低溫條件下原子被凍僵了,還有的提出電子唯象理論(建立在假定之上的理論),假定在低溫條件下兩個電子結(jié)成了庫伯對……但是隧道怎樣產(chǎn)生,原子如何凍僵?難有交代。
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超導(dǎo)的發(fā)生是核外電子速率隨溫度變化的顯著表現(xiàn),是核外電子運動所引起的物質(zhì)特性變化的明顯特征,超導(dǎo)原理是:
在很低的溫度下,物體的所有的電子速率降低,價電子運轉(zhuǎn)在固定的平面上,達到臨界溫度,價和電子運轉(zhuǎn)速率越來越低。核心習慣于常溫下的核外電子快速運轉(zhuǎn),價和電子運轉(zhuǎn)緩慢,造成了原子暫時缺失價電子的現(xiàn)象。核心就挪用相鄰核心的價電子,相鄰核心又挪用,所有的核心都向某一方向近鄰挪用,于是就形成外層電子公用。這種核外層電子公用的狀態(tài)就是物質(zhì)的超導(dǎo)態(tài),核外層電子處于公用的狀態(tài)的物體就是超導(dǎo)體。
核心把公用的電子流當成自己所需求的核外電子,用核心的庫侖力(原子核吸引核外電子使電子繞核運轉(zhuǎn)的力)去輸運它,讓其在自己身邊流過。這樣,公用的電子雖然沒有繞核運轉(zhuǎn),但每一瞬時從核心身邊流經(jīng)的電子較多,部分地滿足核心對電子的需求。
超導(dǎo)體通電后,在電壓波的作用下,使超導(dǎo)體處于公用的狀態(tài)下的價電子順勢移動,形成了核外層電子公用的電子流——超導(dǎo)電流。核心把外來(公用)的電子流當成自己所需求的電子一部分,用核心的庫侖力去順勢輸運它,讓其在自己身邊流過,于是超導(dǎo)電流不僅不受到阻力,而且還獲得了一份來自核心的輸運力。在原子庫侖力的接力輸送下,電子暢通無阻,形成了電阻為零的超導(dǎo)現(xiàn)象。
正因為超導(dǎo)電流獲得了核心的輸運力,所以它能像常態(tài)的核外電子那樣永恒不斷地運動,流速均衡、電阻為零,保持永恒的電流。超導(dǎo)發(fā)生是大量的電子群集流動。大量電子的定向運動,伴生著很強的電磁波,伴生著極強的磁場。
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超導(dǎo)的抗磁性?? 超導(dǎo)時大量電子在物體內(nèi)均衡暢通地在核心邊流動,成了核外電子的組成部分,大量電子的定向流動伴生著很強的磁場。外磁場會干擾電子的定向運動,所以伴生的磁場必須把外磁場抵制在外,于是就形成了很強的抗磁性。
實驗表明,金屬物體(第一類超導(dǎo)體)在超導(dǎo)時,外磁場從超導(dǎo)體內(nèi)完全排出,表現(xiàn)出很強的抗磁性,又稱邁斯納效應(yīng)。若外磁場太強,干擾電子不能形成整齊的定向運動,即使到了臨界低溫,超導(dǎo)也不能發(fā)生。這種現(xiàn)象正好印證了以上所講的電—磁伴生現(xiàn)象。
同樣,內(nèi)磁場強的物體也難以發(fā)生超導(dǎo),鐵磁性或反鐵磁性金屬因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)元的排列使得部分價磁力疊加,內(nèi)磁場較強,阻止電子直線定向流動,因而不具有超導(dǎo)性能。而且磁性物質(zhì)的微粒——雜質(zhì)也會阻斷核外電子共用,影響超導(dǎo)發(fā)生。
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第二類超導(dǎo)體?? 大自然往往是戲劇性地展示其風采,近些年發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料并不是傳統(tǒng)上被認為是良導(dǎo)體的金屬及其合金,而是在常態(tài)下導(dǎo)電性能很差的氧化物體系的陶瓷,這就是所謂第二類超導(dǎo)體。
此類超導(dǎo)是因多元素化合后,在低溫條件價電子速率不盡相同,造成了較大的電子空位,所以這類超導(dǎo)體的臨界溫度較高,超導(dǎo)電流也較大。因化合體是由許多元素的結(jié)構(gòu)元結(jié)合而成,電子空位只占其一隅(整體上是一條細縫),第二類超導(dǎo)體的超導(dǎo)電流伴生的磁力線不是很密,外磁場還是能從其他元素間穿過,所以邁斯納效應(yīng)不是十分明顯,但是允許通過的外磁性不能太強,否則也會阻斷超導(dǎo)。
元素的價電子數(shù)為3、5、7時,價電子不能均勻分布在原子表面,于是形成了價和運轉(zhuǎn)繞核心的環(huán)繞角不均勻,或價電子層的再分層(如3可以分成2,1),低溫條件下核心對最外層電子管束不力,首先在間隙大的部位形成電子空位,所以價電子數(shù)為3、5、7的元素在常溫下通常是絕緣體,在低溫下卻較易形成超導(dǎo)。
當原子質(zhì)量較大,核外電子數(shù)多,層數(shù)也多,核心對外層電子管束不力,超導(dǎo)電子空位容易產(chǎn)生,所以較易形成超導(dǎo),而且臨界溫度較高。
一些絕緣體在低溫條件下價和電子降低速率,發(fā)生了外電子公用,形成了性能良好的超導(dǎo)體,絕緣體形成超導(dǎo),為電子空位導(dǎo)電再次提供了例證,大自然用超導(dǎo)現(xiàn)象向人們展示著核心與核外電子間的依存關(guān)系,述說著核外電子運動的規(guī)律性。
超導(dǎo)現(xiàn)象的特征,一是在低溫條件下價和電子降低速率,形成了外電子公用;二是超導(dǎo)時公用電子的流動不僅不受到阻力,而且還獲得了一份來自核心的輸運力。背離了這兩大特征,超導(dǎo)就無從談起。
物質(zhì)的超導(dǎo)特性與溫度密切相關(guān),而且極有規(guī)律性。再一次為核外電子的運轉(zhuǎn)線路、速率決定物質(zhì)的各種特性;電子運動的線路、速率的變化決定物質(zhì)各種特性的論點提供了有力的例證。
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[反思] 盡管庫伯對理論獲得了諾貝爾獎,但它仍然是一個唯象理論,首先,兩個電子如何能緊密結(jié)成對?這直接違背同性相斥的自然原理。其次,超導(dǎo)體的電流運行的不是勻速直線,必定會有能量損失,損失的能量由哪里補充?抗磁性是如何發(fā)生?所謂理論連核心的輸運力都沒有想到、沒有提到,說的再復(fù)雜,再冠冕堂皇,不符合自然能量守恒法則肯定不是事實。
超導(dǎo)的抗磁性(邁斯納效應(yīng))再一次為電子的運動伴生著電磁波提供了例證,超導(dǎo)現(xiàn)象是大自然向人們展示在低溫條件下的核外電子運動的新規(guī)律。

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