化学常识：奇妙的超导世界_化学知识点-查字典化学网

一、化学常识：奇妙的超导世界

奇妙的超导世界

在日常生活中大家都应该有过使用电视、电脑、电灯等电器的经验，这些电器的出现也确实为生活带来便利。然而当电器使用一段时间後，机器通常都会发热；若是使用时间过长，甚至还会因过热而烧毁。造成这些问题的主要原因都来自—电阻；电阻是由於当电子流过导线的内部时，被导线内部的材料阻扰其运动所造成的现象，而该现象所表现出来的即是我们所观察到的发热情形。电阻所造成的发热现象不仅是影响日常的使用，在能源的利用上也是一大浪费。每年因电线发热所散失掉的能源相当可观，故传输时电力公司均采用高压传输方式减少耗损，但能量损失问题仍未彻底解决：传输线的电阻仍会造成能量损失，而转换电压时也会产生热，故能源的利用效率距100%仍有一段距离。

也许有人会想：如果有一种物质没有电阻，以这种物质为材料做导线不就可以解决之前提到的问题了吗？听起来似乎不大可能，但实际上确实有这种物质的存在。它，就是超导体。

原理 – 什麽是超导体？

顾名思义，超导体(Superconductor)是一种导电性较一般导体更佳的”超级导体”。当温度低於其超导转变温度(或称临界温度)[Critical Temperature ; Tc]时，它具有以下两种特性 – 零电阻以及反磁性。

[零电阻]

於一般导体内，电子通过时会与导体内原子所构成之对称结构(晶格)作用，能量部分传递至晶格上形成晶格振动而造成损失(放热)，此为电阻之成因。於金属导体中，晶格与导电电子作用程度随温度上升而增加，故其电阻亦随温度上升；而於半导体中，温度上升有助於产生更多导电电子，此效应大於晶格与导电电子之作用，因而温度上升时，电阻反而下降。

超导体的导电现象则与一般导体不同。当温度高於其Tc时，超导体表现出一般导体或半导体之特性，此时仍有电阻产生；但温度降至Tc以下时，电子在结构中运动完全不会受到晶格之影响，亦即电阻完全消失(图一)，此种现象即称为零电阻(Zero Resistance)。

[反磁性]

有电必有磁，超导体既然具有如此特殊之电性，那麽也可能具有於不同於一般的磁特性。超导体在温度高於其Tc时，其外加磁场可自由穿过其内部，亦即超导体内部可有磁场存在；但温度低於Tc时，则超导体内之磁场便全被排出其内部，成为一零磁场状态，即为反磁性(Diamagnetism)。此现象於1933年为Meissner发现，故称为Meissner效应(图二)。

发展史 – 超导体的演进

20世纪初期，低温物理的发展由於液化氦气技术的发明，使得低温研究更进一步地延伸到1 K左右的区域。当时对低温下金属所表现的电性仍不清楚，以致各研究群慨法不一，因此许多科学家均积极进行实验来观察分析金属於低温下的变化。在这些研究群中，位於荷兰的莱登实验室也是其中之一，而他们在1911年的发现则开启了超导体研究的序幕。西元1911年时，莱登实验室的Kamerlingh-Onnes等人已将许多金属冷却至极低温，发现其电阻会随着温度下降而下降。在这些金属中，某一些种类其电阻在极低温时电阻会出乎意料的骤降为零，例如水银(Hg)。水银在4.2 K以上时仍有电阻存在，但温度再低至4.2 K以下时，电阻突然消失了！(图三)，此时电阻值已低於室温值百万分之一以下，於1.5 K时更是仅有十亿分之一，此时水银已进入了一种新的状态，而由於它的特殊电性，Kamerlingh-Onnes等人把此种特殊状态下的水银称之为”超导体”。

二、高考化学必备知识点：奇妙的超导世界

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林—昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡末林—昂内斯称之为超导态。卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。

迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性。

为了使超导材料有实用性，人们开始了探索高温超导的历程，从1911年至1986年，超导温度由水银的4.2K提高到23.22K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）。1986年1月发现钡镧铜氧化物超导温度是30K，12月30日，又将这一纪录刷新为40.2K，1987年1月升至43K，不久又升至46K和53K，2月15日发现了98K超导体，2009年10月10日，突破254K(-19℃)。高温超导体取得了巨大突破，使超导技术走向大规模应用。

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本国开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。

超导材料的零电阻特性可以用来输电和制造大型磁体。超高压输电会有很大的损耗，而利用超导体则可最大限度地降低损耗，但由于临界温度较高的超导体还未进入实用阶段，从而限制了超导输电的采用。随着技术的发展，新超导材料的不断涌现，超导输电的希望能在不久的将来得以实现。

现有的高温超导体还处于必须用液态氮来冷却的状态，但它仍旧被认为是20世纪最伟大的发现之一。

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