超导体和等离子体讲解
传统超导体简介
2014年5月24日传统超导体简介LH·ZW摘要：如今超导体在社会生产中扮演着越来越重要的作用，不管是急速发展着的电子工业还是磁悬浮列车的发展都与超导体的发展息息相关。
并且一直以来有着神秘色彩超导体在我们心目中都是高端得遥不可及的，而当今社会的发展却因之而大放异彩，所以对于超导体的机制及其应用我们还是应该学习的。
关键词：电磁学超导体零电阻现象迈斯纳效应超导发电磁悬浮列车引言超导体与电磁相关原理不无关系。
超导体没有电阻是一材料宏观表现出来的性质，并且在我们现有的认知当中，当温度到达（升高或降低）该材料的某一临界值时，其温度会变为让人们一直以来都不为理解且震惊的零值，即是不可思议的没有电阻现象。
且超导的最具特点与价值的是其完全导电性和完全抗磁性，由此使得其在社会生活生产中扮演着重要的角色。
一．超导体分类现在对于超导体的分类并没有统一的标准，通常的分类方法有以下几种：∙通过材料对于磁场的相应可以把它们分为第一类超导体和第二类超导体：对于第一类超导体只存在一个单一的临界磁场，超过临界磁场的时候，超导性消失；对于第二类超导体，他们有两个临界磁场值，在两个临界值之间，材料允许部分磁场穿透材料。
∙通过解释的理论不同可以把它们分为：传统超导体（如果它们可以用BCS理论或其推论解释）和非传统超导体（如果它们不能用上述理论解释）。
∙通过材料达到超导的临界温度可以把它们分为高温超导体和低温超导体：高温超导体通常指它们的转变温度达到液氮温度（大于77K）；低温超导体通常指它们需要其他特殊的技术才可以达到它们的转变温度。
∙通过材料可以将它们分为化学材料超导体比如：铅和水银；合金超导体比如：铌钛合金；氧化物超导体,比如钇钡铜氧化物；有机超导体,比如：碳纳米管。
二．一般超导体（即第一类超导体）的微观机制1.电阻成因：很多宏观现象可以从微观领域中得到解释。
电流是导体中电子的定向移动。
电子在原子间移动时，由于电子与原子核间的电磁力的作用，会引起原子振动。
超导体的原理与应用有哪些
超导体的原理与应用有哪些1. 超导体的原理超导体是指在低温下，电阻为零的特殊材料。
它的超导性质是由两个基本原理支撑的：电子配对和库珀对的形成。
1.1 电子配对在超导体中，电子之间存在一种称为库珀对的配对行为。
库珀对的形成是由于超导体内部存在一种叫做声子的元激发粒子，它们通过晶格振动使得电子之间相互吸引产生了配对。
1.2 零电阻由于配对形成了库珀对，这些配对的电子在超导体中可以形成一个巨大的电子波函数，从而使电子之间不存在碰撞。
这导致了超导体中电流的无阻力传输，即零电阻现象。
2. 超导体的应用超导体的独特性质使得它在众多领域都有广泛的应用。
以下是一些主要的应用领域：2.1 磁共振成像 (MRI)超导体可以用于制造强磁场，而磁共振成像是一种利用强磁场和射频脉冲来获取人体内部结构信息的技术。
超导体用作MRI托盘可以提供更强的磁场稳定性和均匀性，从而提高成像的精度和质量。
2.2 磁浮列车超导体的零电阻特性使其成为制造磁浮列车的理想材料。
磁浮列车利用超导体的磁场反应特性，可以实现列车与磁轨之间的无接触悬浮，并通过利用磁力推动列车的运动。
这种方式的交通工具速度快、无摩擦、低能耗，被认为是未来城市交通的发展方向。
2.3 磁能存储超导体可以用于制造磁能存储设备，例如超导磁能储存器。
超导磁能储存器可以将电能转化为磁能，然后通过断开超导体电路来存储这些磁能，以便后续使用。
这种储能方式比传统的化学电池储能更加高效、可靠和环保。
2.4 加速器与聚变装置超导体可以用于制造粒子加速器和聚变装置。
粒子加速器利用超导体中形成的巨大磁场来加速粒子，从而实现高速碰撞实验。
聚变装置则利用超导体制造的强磁场来限制和控制等离子体以实现核聚变反应，提供清洁能源的解决方案。
2.5 其他应用此外，超导体还有许多其他应用，包括：医疗设备、量子计算机、电力输电、研究领域等。
超导体的研究和应用仍在不断发展中，未来可能还会有更多新的应用领域出现。
总结超导体的原理基于电子配对和库珀对的形成，通过零电阻使电流无阻力传输。
超导体 概念
超导体概念
超导体是指在低温条件下，电阻消失或接近零的材料。
当超导体受到外加电流或磁场时，可以产生超导电流或磁通排斥效应。
超导体的概念最早由荷兰物理学家海克·卡末林领导的研究小
组于1911年发现，并在1957年由美国物理学家J. Bardeen、L. Cooper和R. Schrieffer提出了著名的BCS理论，解释了超导
现象的机制。
超导体的主要特征是具有零电阻和完全磁场排斥效应。
在超导态下，电子通过原子晶格的正空穴形成库珀对，而不是单个电子运动。
这种库珀对的形成使得电子能够无碰撞地通过晶格，从而消除了电阻。
超导体的临界温度是指材料变为超导体的临界温度，不同的超导体材料临界温度各不相同，有些超导体的临界温度可以达到几百摄氏度。
超导体的输运性质还包括完全的磁场屏蔽效应、零电阻传导和极低的能量损耗等优点，因此在许多领域有广泛的应用，如磁共振成像、电能传输、粒子加速器和磁悬浮列车等。
然而，超导体需要在极低温度下才能实现超导态，并且通常需要极低的温度和复杂的制备工艺，限制了其实际应用范围。
因此，研究人员一直致力于开发更高临界温度的超导体材料，以便实现更广泛的应用。
物理学十大黑科技
物理学十大黑科技
1.量子纠缠：在两个相互作用的粒子之间建立一种神秘的联系，使它们之间的任何改变都会影响到对方。
2. 相对论：爱因斯坦提出的理论，解释了时间和空间是如何相互作用的，同时告诉我们光速是不可逾越的。
3. 超导体：在极低温度下，一些物质电阻降至零，电流可以无限流动，这种现象被称作超导。
4. 高温等离子体：将物质加热到极高温度时，它们会变成等离子体，这种物质能够产生强大的电磁场，应用于聚变反应和等离子体发动机等领域。
5. 磁悬浮：利用电磁原理，使列车或车辆悬浮在铁路或道路上，以减少摩擦力和能量损失。
6. 光纤通信：利用光纤传输光信号，可以实现高速、高质量的通信，广泛应用于通信、医疗和娱乐等领域。
7. 超分辨显微镜：通过利用纳米技术和复杂的算法，超越传统显微镜的分辨率限制，可以观测到更细微的细胞和分子结构。
8. 星际旅行：利用物理学原理，如光速不变原理和黑洞的引力等，探索太空旅行和星际移民的可能性。
9. 量子计算机：利用量子力学的特性，可以实现更快速、更高效的计算，对于处理大规模、复杂的问题有着巨大的潜力。
10. 引力波探测：利用激光干涉仪，探测来自宇宙深处的引力波，这种波动在爆发性事件如黑洞合并或超新星爆发时会产生，对于研究
宇宙的演化和结构有着重要意义。
超导体的基本性质和应用
超导体的基本性质和应用超导体是一种在极低温下表现出完全电阻为零的材料，是电学领域中独特且引人瞩目的现象。
超导体的发现和研究不仅极大地推动了科学领域的发展，也为行业的应用带来了巨大的潜力。
本文将介绍超导体的基本性质和一些重要的应用。
一. 超导体的基本性质超导体具有以下的基本性质：1. 零电阻：在超导态下，超导体内部没有电阻，电流可以在其中自由地流动。
这个性质让超导体在电力输送和能量储存方面具有巨大的潜力。
2. 迈出Meissner效应：超导体在过渡到超导态时，会对外部磁场产生排斥作用，将磁场排斥出体内。
这种现象被称为迈出Meissner效应，它是超导体的又一个重要性质。
3. 让低温成为关键：要使超导体发挥超导状态，需要将温度降到很低的极端。
对于常见的超导体材料来说，常规的液氮温度（77K）已经足够维持超导态。
二. 超导体的应用1. 增强能源传输：由于超导体的零电阻特性，能量在超导体中的传输效率非常高。
这使得超导体在能源传输方面具有广阔的应用前景。
超导体电缆可以大大提高电能传输的效率，降低能量损耗，并减少能源供应的对环境的影响。
2. 磁共振成像（MRI）：超导磁体被广泛应用于医学成像领域中的核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）技术。
超导磁体提供了一个强大的稳定磁场，可以更准确地检测疾病和生成高质量的影像。
3. 磁悬浮交通：超导磁悬浮技术利用超导体的穿透磁通特性，使列车浮起并在轨道上悬浮行驶。
这种无摩擦的悬浮方式可以大大提高列车的速度和运行平稳性，且不会产生噪音和振动，未来可能将成为一种重要的交通方式。
4. 快速电子元件：超导体的超快电子运输特性也为电子元件提供了可能。
超导元件可以实现更高的开关速度，更高的运行频率和更低的功耗。
这对于信息技术领域和计算机科学来说是非常有前途的。
5. 等离子体研究：超导体在等离子体物理研究中扮演着重要的角色。
超导磁体可以提供足够的磁场来约束等离子体，并使其保持稳定。
对超导体的基本认识
对超导体的基本认识一.超导现象的发现超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙的现象。
19世纪末，低温技术获得了显著的进展，曾一向被视为“永久气体”的空气被液化了。
1877年氧气被首先液化，液化点也就是我们所说的常压下沸点是-183℃（90K）。
随后人们又液化了液化温度是-196℃的氮气。
1898年杜瓦（J.Dewar）第一次把氢气变成了液体氢，液化温度为-253℃，他并发明了盛放液化气的容器——杜瓦瓶。
最先发现这种现象的是荷兰物理学家卡麦林·昂纳斯。
1908年卡麦林·昂纳斯液化氦（-259℃）成功，从而达到一个新的低温区（4.2K以下），他在这样的低温区内测量各种纯金属的电阻率。
1911年夏天，当昂纳斯的两个研究生在做低温实验时，偶然发现某些金属在极低温环境中，金属的电阻突然消失了。
昂纳斯接着用水银做实验，发现水银在4.1K时（约相当于-269℃），出现了这种超导现象；不但纯汞，而且加入杂质后,甚至汞和锡的合金也具有这种性质。
他把这种性质称为超导电性。
他又用铅环做实验，九百安培的电流在铅环中流动不止，两年半以后仍旧毫无衰减。
1932年霍尔姆和卡茂林－昂尼斯都在实验中发现，隔着极薄一层氧化物的两块处于超导状态的金属，没有外加电压时也有电流流过。
1933年荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的一个极为重要的性质。
二.超导体的基本性质1、零电阻效应在超导条件下，电阻等于零是超导体的最显著的特性。
如果将一金属环放在磁场中,突然撤去磁场,在环内就会出现感生电流。
金属环具有电阻R和电感L。
由于焦耳热损耗,感生电流会逐渐衰减到零，衰减速度与L和R的比值有关,L/R的值越大，衰减越慢。
如果圆环是超导体，则电阻为零而电感不为零；因此电流会毫不衰减地维持下去。
这种“持续电流”已在多次实验中观察到。
测量超导环中持续电流变化的实验给出，样品铅的电阻率小于3.6×10-2欧姆厘米，它比铜在室温下的电阻率1.6×10-6欧姆厘米还要小4.4×1016倍。
浅谈超导体
浅谈超导体徐建强河南省卢氏县第一高级中学来源人教网由于导体的电阻，在远距离输电等方面造成较大的电能浪费；如能生产一种超导体材料，没有电阻，电流流经它时将不受任何阻力，没有热损耗，于是就能以小的功率得到大的电流，从而产生几个甚至几十个特斯拉的超强磁场，将具有很高的应用价值。
今天，这一切以成为现实。
一、超导体的基本特性1. 零电阻效应超导现象的发现是与低温技术的发展分不开的。
1906年荷兰著名低温物理学家昂纳斯(H．K．Onnes，1853—1926)首次制备出液态氮，获得4开的低温(相当于-269℃)，随后又获得了1.04开的低温。
这是继1898年制备出液态氢获得14开低温之后的巨大进展。
随着低温技术的进展，科学家已注意到纯金属的电阻随温度的降低而减小的现象。
昂纳斯首先研究低温下水银电阻的变化。
l911年发现了水银的超导现象。
在4.2开附近水银电阻突然变小。
图1是水银的电阻随温度的变化情况，纵坐标是该温度下水银电阻与0℃时电阻的比值：R(T)／R(0℃)。
较精确的测量给出水银的超导转变温度（临界温度）Tc＝4.153 开。
继续降温到3开时，电阻降到仅为0℃时电阻值的10-7Ω，电阻值实际已可看作零了。
图1水银的零电阻效应1912—1913年间昂纳斯又发现锡(Sn)在3.8开低温时，也有零电阻现象。
随后科学家们又发现了其他许多金属或合金在低温下都有零电阻效应。
昂纳斯首先将这种特殊的电学性质称为超导。
昂纳斯由于液氦的制备和超导现象的研究获 l913 年诺贝尔物理学奖。
2 ．完全抗磁性1933年，德国物理学家迈斯纳(W．Meissner) 通过实验发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁感线会一下子被完全排斥到超导体之外 (见图2)，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体。
这个现象称为迈斯纳效应。
3 ．存在临界磁场实验表明，超导态可以被外磁场所破坏，在低于Tc的任一温度T下，当外加磁场的磁感应强度B小于某一临界值Bc时。
超导体是什么以及其应用领域
超导体是什么以及其应用领域超导体是一种特殊的材料，在低温下可以表现出零电阻和完全反磁性的特性。
这种材料的独特性质使其在许多领域中得到了广泛的应用。
超导体最早被发现于1911年，当时是由荷兰物理学家海克·卡梅林·奥克斯纳发现的。
他发现一种含铅的合金在接近绝对零度时表现出了完全的电阻为零。
随后的几十年中，其他材料也被发现具有类似的特性，包括铜氧化物和铁基超导体。
超导体的特性是由一个称为“库珀对”的现象所导致的。
在超导体中，电子形成成对移动，避免了单个电子导致的电阻。
这也解释了为什么只有在低温下这种特性才会表现出来，因为热会导致这些库珀对分解。
超导体的应用领域非常广泛，下面简单列举了一些：1. 超导磁体超导磁体是利用超导体制造的磁体。
这种磁体可以产生比常规磁体更强的磁场，并且溶解在液氦中不会导致热量的释放。
它们被广泛应用于核磁共振、医学成像和粒子加速器等领域。
2. 超导传输线超导体的电阻为零，使其可以制造出高效的电力传输线路。
这种传输线被用于高层建筑和城市之间大规模的电力传输。
3. 超导电动机超导电动机比传统的电动机更加高效，因为它们可以使用更强的磁场来驱动电机。
这些电动机被广泛应用于高速列车、船舶和飞机等领域。
4. 超导磁悬浮列车超导体可以用于制造磁悬浮列车的轨道。
这种列车可以在超高速下运转，并且非常节能。
5. 超导电缆超导电缆是利用超导体制造的电缆。
它们可以在大功率传输时具有更高的效率和更小的损耗。
超导体的应用领域还包括量子计算、超导量子干涉仪、量子传感器和量子密钥分发等。
这些领域还在发展中，未来还有更多可能的应用。
总之，超导体的独特性质使其在现代科技领域中得到了广泛的应用。
它们在制造高效电力传输、超高速列车、核磁共振成像和其他许多领域中都扮演着重要的角色。
随着科技的发展，我们有理由相信，超导体的应用领域还会不断扩展。
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1997年，金铟合金在接近绝对零度时既是超导体 同时也是磁体。1999年科学家发现钌铜化合物在 45K (-228℃)时具有超导电性。由于该化合物独特 的晶体结构，它在计算机数据存贮中的应用潜力 将非常巨大。
2、迈斯纳（Meissner）效应 —超导体具有将磁场完全排斥在外的完全抗磁性 迈斯纳（Meissner）效应可用磁悬浮实验演示：
从获得能量的观点来看聚变核反应主要是如下两 种：
20世纪50年代初，苏联科 学家提出了磁约束的概念，并 于1954年建成了第一个磁约束 装置——托卡马克(Tokamak)， 它是俄语“磁线圈环形真空室” 的缩写
0
h 2e
2.0678346110-15 Wb
约瑟夫森效应是一种隧道效应（势垒贯穿）起 源于微观粒子波动性的量子效应
1962年由约瑟夫森从理论上预言，后被实验所证实
1）如果在两超导体之间夹有10-3 ~ 10-4m 的绝缘，
薄层则即使绝缘层两侧不存在任何电压，其间仍 然可以持续地流过直流超导电流
2）如果在绝缘层两层的超导膜上加直流电压， 则在两超导膜之间将有一定频率的交流电通过， 并向外辐射电磁波，交变超导电流的振荡频率为
超导输电线路 超导材料用于制作超导电线和超 导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。 据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15%的电 能损耗在输电线路上，光是在中国，每年的电力 损失即达1000多亿度。若改为超导输电，节省的 电能相当于新建数十个大型发电厂。
超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少 的关键部件。
超导磁悬浮列车
第
超四 导讲
体 和 等 离 子 体
超导 —超导电性 （金属、合金或其它材料电阻变零的性质）
一、超导物理性质
1、零电阻
1784年英国化学家拉瓦锡曾预 言：假如地球突然进到寒冷的地 区，空气无疑将不再以看不见的 流体形式存在，它将回到液态。
荷兰物理学家 昂尼斯
(H.K.Onnes)
从那时候起，拉瓦锡的预言就 一直激励着人们去实现“永久气 体”的液化, 使气体变成液体，并 由此得到极低的温度。
高能粒子加速器
超导核聚变托卡马 克装置
核聚变
在一定条件下，一个氘核(由一个质子一个中子 组成)和一个氚核(由一个质子和二个中子组成)会发 生聚变核反应，生成一个氦核(二个质子和二个中子 组成)，并放出一个中子。
精密的测量表明，氦核加上一个中子的质量之和 小于一个氘核与氚核反应前的质量之和，发生了明 显的质且亏损。 根据著名的爱因斯坦质能公式E＝mc2，反应过程中 出现的质量亏损转化为巨大的能量释放出来。
获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
20世纪80年代起掀起高温超导研究:
超导新材料的发现
高温超导体—临界温度在液氮温度77K (-196℃） 以上。 1981年合成了有机超导体
1986年苏黎世实验室的缪勒和柏诺兹发现了陶 瓷性金属氧化物LaBaCuO4，TC约为35K (-238℃)。
陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质 获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
1910年，昂尼斯开始和他的学生研究低温条件下 的物态变化。1911年，他们在研究水银电阻与温 度变化的关系时发现，当温度低于4K时已凝结 成固态的水银的电阻突然下降并趋于零.
电阻率 2 1[1 （T2 - T1)]
R/ 0.10 0.05
* ***
超导的转变
温度 TC
4.10 4.20 4.30 T/K
同理一个超导球用一通有持续电流的超导环使它 悬浮, 根据这个原理制成的超导重力仪，可以精 确测量地球重力的变化
3、磁通量子化和约瑟夫森（Josephson）效应
——超导体两种独特的宏观量子效应
类磁通——穿过中空超导体内空腔以及超导体内 表面穿透区域的总磁通量
磁通量子化——理论和实验表明超导体的类磁 通是守恒的，并其值是量子化的，最小的类磁 通单位称为磁通量子，
电磁感应效应
S V
N
o'
N
en
B
ω
iR
o
为证实这一发现，他们用固态的水银做成环路， 并使磁铁穿过环路使其中产生感应电流。但当水 银环路处于4K之下的低温时，即使磁铁停止了运 动，感应电流却仍然存在。他们坚持定期测量一 年，只要水银环路的温度低于4K，电流会长期存 在，并且没有强度变弱的任何迹象。
1877年法国物理学家盖勒德首先实现了“永久气 体”中氧的液化，液体氧的温度低达-140℃.
1898年，英国科学家杜瓦获得液化氢，液氢的温 度为-252.76℃，次年杜瓦又成功地使液氢变为固 体氢，固体氢的温度低到-260℃。
1908年昂尼斯首次把 最后一个“永久气体” 氦气液化，并获得低 于4K的低温。
1987年，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组 与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制 成临界温度约为90K (-183℃)的超导材料YBCO。
1988年初日本宣布制成临界温度达110K的BiSr-Ca-Cu-O超导体。至此，人们终于实现了液氮 温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。
科学家还发现铊系化合物超导材料的临界温度 可达125K (-148℃)，汞系化合物超导材料的临界 温度则可达135K (-138℃)。
2eV
超导体的电子比热、同位素效应、超导能隙等 超导体的理论研究超出经典物理的范畴——BCS 理论（1957年联合提出）
二、超导技术的应用
大电流应用（强电应用） 电子学应用（弱电应用） 抗磁性应用
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。 由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全
的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得 10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体， 要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大 量的冷却水，投资巨大。
超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发 电机和超导输电线路等。
超导发电机利用超导线圈磁体可以将发电机的 磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量 损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电 机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1 万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发 电效率提高50％。