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                            超導現象解釋

                            發布時間:2018-9-22 10:07:21 訪問次數:726

                            51電子網公益庫存:
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                            超導現象。有三個特點。

                            1、低溫條件下出現。

                            2、零電阻效應,即處于超導態的金屬,直流電阻率為0(或者無限接近于0)。

                            3、邁斯納效應。即超導體從一般狀態相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象,于1933年時被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導錫及鉛樣品外的磁場時發現。在有磁場的情況下,樣品被冷卻至它們的超導相變溫度以下。在相變溫度以下時,樣品幾乎抵消掉所有里面的磁場。他們只是間接地探測到這個效應;因為超導體的磁通量守恒,當里面的場減少時,外面的場就會增加。這實驗最早證明超導體不只是完美的導電體,并為超導態提供一個獨特的定義性質。

                            當一個磁體和一個處于超導態的超導體相互靠近時,磁體的磁場會使超導體表面中出現超導電流。此超導電流在超導體內部形成的磁場,恰好和磁體的磁場大小相等,方向相反。這兩個磁場抵消,使超導體內部的磁感應強度為零,b=0,即超導體排斥體內的磁場。

                            本質上來講,超導現象屬于電磁學現象,所以應該電磁學現象入手去解決。也就是從電荷理論,電磁學理論去解決。這是我的第一想法。bcs理論卻不是這樣的,它是以量子力學手段去解決的。當然電磁學理論本身就是承上啟下的理論。即是經典物理理論,也是量子力學理論。所以這個不是不足之處。http://cjj.51dzw.com/

                            另外超導現象,看似簡單,其實算是復雜的。低溫情況,你要考慮到熱力學問題。零電阻效應你要考慮到物質結構問題。邁斯納效應你要考慮到電磁學理論,電荷理論,這樣就會延伸到量子力學中來。

                            所以應該這樣的分析,非超導現象的時候,電流在導體中傳播受電阻影響會產生熱。這說明什么呢?常溫下,電流和導體是有能量交互的,所以有損耗能量。通俗的講,你可以這樣理解,常溫下構成導體的粒子比低溫下,更加活躍和混亂,彼此之間流動是各自為號角行動。所以粒子和導體結構之間的“摩擦”會很多。再講一個比喻就是沒有信號燈指揮的時候,十字路口擁擠混亂,有信號燈的時候,路就暢通了。

                            而低溫條件,就好像是號角,就好像是信號燈。給了所有電子一個信號,集合了,要統一有序行動。這樣摩擦就突然沒有了,就是超導狀態。而且低溫條件,也會改變導體的結構態,也更加利于電流的暢通無阻。

                            大家不要忘記,前面我們說的,玻色——愛因斯坦凝聚態。也是在低溫環境下出現的物理現象,還有超流體。當我們開始將原子冷卻到接近絕對零度的極低溫度時,我們開始看到一些奇怪的事情發生。事實上,許多這些奇特的現象導致非常實際的用途。當氣體冷卻時,我們觀察到玻色 - 愛因斯坦凝聚體,其中所有原子處于相同的量子宏觀狀態。

                            氦-4在冷卻到臨界溫度以下時表現出超流性,在這里流體可以無任何阻力地流動,但具有可以在不破壞超流體的情況下流動的最大速度。當一些固體冷卻到臨界溫度時,我們會看到超導行為,電流可以在沒有任何阻力和能量損失的情況下流動。此外,這些還會使材料外部的磁通量排出,從而導致外部磁場產生懸浮效應; 這被稱為邁斯納效應。

                            這些效應的出現都和低溫條件有關,這就是一個很很重要的條件。針對bcs理論的缺陷,我們完全可以提出大膽修正。將超導理論和凝聚態,以及超流體理論去靠攏。然后再從結構上,再從量子手段去解釋。這是方法。

                            庫珀對概念,可以有,而且實驗有這樣檢測的跡象。但庫珀對的概念要有修動。改成庫珀團更合適。本來由于泡利不相容原理,不同的費米子不能占據同一量子態,因此費米子不能像玻色子那樣直接形成玻色-愛因斯坦凝聚態。

                            但科學家通過一種叫庫柏對的機制,可以將費米子【電子】結合在一起,形成具有玻色性子的“費米子”。這樣這些費米子就可以在溫度達到極限的時候,慢慢占據最低能態,就好像大家約好了一群走到一個地方。這個時候注意了,是占據最低能態,不是費米面了。

                            那么可能有的同學會問了:“通過庫柏機制形成的費米子組合是玻色子嗎?”http://zxwdz.51dzw.com/

                            上文說中把兩個費米子結合在一起成為具有玻色子性質的“費米子對”即庫柏對。就是回答了這個問題,即組合的費米子不是玻色子。但它具有玻色子的一些性質。不過從自旋方面來說,這些組合粒子也是整數自旋。但從根本上的統計來說,是不同的。

                            什么是庫柏對,是指電子結合在一起的狀態。一般來說,電子之間都有微小的引力,由此使得電子的能量低于費米能時,電子就會結合在一起,這一能量降低大約是1mev的量級,一般的溫度對應熱運動能量相對很大,因此庫柏對的現象通常要在低溫下超導狀態才會出現。

                            玻色子的凝聚是說所有的粒子的波函數完全一樣,但是費米子的凝聚是說,復合子的兩個費米子的動量k都不一樣,但是它們總的動量都是一樣的, 所以凝聚是總動量的凝聚。這也可以從它們的波函數上看出來。

                            還可以這樣表述:在庫柏機制下,費米子對可形成束縛態,就像一個復合粒子(原子就是一種典型的復合粒子),而這個復合粒子表現為一個玻色子,所以,費米子對凝聚態本質上就是玻色愛因斯坦凝聚態。【也就是說沒有玻色-愛因斯坦凝聚態機制,費米子凝聚不可能存在!】當物質冷卻時,費米子逐漸占據最低能態,但它們處在不同的能態上,就像人群涌向一段狹窄的樓梯,這種集聚可以理解bcs關于庫珀對在費米面的聚合。這個時候的電子流有類似于超流體的性質。而且這個能帶的導電性能達到最高,晶格的振動也達到最低能態。也就是這個時候,其實用聲子—電子耦合為庫珀對的理論,不再適合。因為聲子本身是理想概念。不如從低溫條件改變晶格體本身去解釋,更靠譜。就是晶格體的能帶導電性達到最高狀態。因費米子凝聚態集合的庫珀團,此刻也具有超流體性質,可以無摩擦,無相互作用的在導體中以光速傳遞。

                            這里有必要解釋一下庫珀團的概念。如果是庫珀對的話,那么庫珀對于庫珀對之間也沒有作用嗎?所以這也是bcs理論的缺點。如果庫珀團的話,這個就好解釋了。整個電子流就是一個整體。是由庫珀對組成的,即庫珀團是由庫珀對組成的。庫珀團的概念,你可以理解為一個區域,最低能態。庫珀對就集中在這里。由于晶格體也處于低溫條件下,交互影響就可以忽略不計。庫珀團與整個晶格體沒有能量交互,無摩擦在傳播,這就是超導現象。所有的超導現象都是這樣的。

                            然后超導電流會排斥掉導體中的磁場,從而導致外部磁場產生懸浮效應; 這被稱為邁斯納效應。

                            所以最后總結一下。低溫條件,會產生庫珀對,以及形成庫珀團,產生超導電流。同時低溫也改變導體結構和振動,使得導體中超導電流和結構節交互為零,摩擦為零。這個時候聲子的概念,其實退出。畢竟無論是費米還是玻色凝聚態中,都沒有聲子概念。這個修改,bcs理論更實在靠譜。

                            邁斯納效應需要從電磁學和量子力學去解釋,也就是上面說了,超導電流會排斥掉導體中的磁場,從而導致外部磁場產生懸浮效應; 這被稱為邁斯納效應。

                            不過這樣修改,高溫超導或者常溫超導,還是無法解釋。高溫意味著庫珀團的慢慢瓦解,也就是庫珀對的一個個脫離該區的控制。就會和晶格體產生交互,從而產生電阻。失去超導效應。如果這樣修改,溫度上限是多少,我自己也不會計算。只是內心的思路是這樣的。

                            我做科普,其實還是為了表達自己的觀點,哪怕80%的內容,是科普,是整理,也得留20%的內容給自己。不然我還不如不寫這本書。我活著,思考了這個東西,就是要告訴你們,我思考了什么。

                            當然我很清楚,我的這點知識少的可憐。數學更是死穴。但沒有辦法,喜歡這個東西,是沒有辦法。不然我也不會這么去思考。

                            你熱愛什么,就去思考什么。也許這不能產生價值,也不能當飯吃,但這個過程,絕對精彩。把精彩的思維,獻給你精彩的人生。錯了,能有什么損失呢。沒有人不犯錯,也沒有人總是犯錯。愚人千慮也有一得啊。所以勇敢的去思考吧。

                            1987年12月30日 美國休斯敦大學宣布,美籍華裔科學家朱經武又將超導溫度提高到140.2k。總結起來就是一句話,該理論不能解釋高溫超導問題。不過上面提到的gl超導理論可以。而有學者認為gl理論可以從bcs理論推出來。

                            3、庫珀對的形成機制。能隙,能帶這樣的理論,很符合實驗驗證。庫珀對是電子-聲子耦合形成。但聲子是個概念,其實是振動的最小能量。本身不是一個粒子。所以說庫珀對有建立在虛粒子基礎之上的嫌疑。那么bcs理論的可信度,就會下降。

                            4、同位素系數問題。這個是我在科學網上看到的。內容是這樣的:談及反對bcs理論,一定要提美國物理學家hirsch,他以“h-因子”而聞名科學界。最近他發表了一篇相當轟動的文章:bcs theory of superconductivity: the world’s largest madoff scheme?(bcs超導理論:世界最大的麥道夫騙局),在論文中,他列舉了bcs理論的十個錯誤,把bcs理論批得體無完膚。據hirsch本人介紹,這篇“極其反動”的學術論文先后投送多家著名學術期刊,都被編輯或審稿人以各種莫須有的罪名槍斃了,最后只能委身于某三流的sci期刊。http://msldz.51dzw.com/

                            bcs理論的核心是所謂的電-聲子相互作用的電子配對,bcs理論是對還是錯?有一個簡單的評判標準,那就是公式(1)的超導同位素效應,公式中a是常數,tc是超導轉變溫度,m是同位素質量,a為同位素效應系數,如果bcs理論正確,系數a必須嚴格地等于0.5。最早支持bcs理論的是汞(hg)同位素效應,如下圖所示。這圖出現在幾乎所有超導相關的教科書中,陸陸續續科學家在錫、鉛等超導材料中也發現了0.5的關系,多少人驚嘆bcs理論真乃神來之筆!盡管后來發現鋯(zr)的超導同位素系數a=0,而鈾(u)的超導同位素系數a=-2,面對如此離奇的實驗結果,人們還是迷信巴丁不會錯,bcs理論不會有問題。

                            5、對于不同超導材料,需要用到不同的理論解釋。這個也有疑惑。超導理論應該是一個統一的理論。就是對于不同的材料,用同一個理論進行解釋。

                            那么問題來了,超導現在究竟該如何解釋?bcs理論有哪些需要修正的地方?如何是你該理論的捍衛者,你如何回答這些質疑?如果你不是該理論的捍衛者,你又有哪些想法?

                            嚴格的量子力學的解釋表明這種效應是由于電子-聲子耦合。形成庫珀對的兩個電子,一個自旋向上,另一個自旋向下。在低溫條件下,這個庫珀對結合能可能高于晶格原子振動的能量,這樣,電子對將不會和晶格發生能量交換,也就沒有電阻,形成所謂的“超導現象”。

                            bcs理論很成功,但隨著超導現象的深入研究,質疑聲不斷。有如下幾點。

                            1、我們知道,將一超導圓環放在磁場中并冷卻到臨界溫度以下,突然撤去磁場,則在超導環中將產生感生超導電流。實驗發現,此電流可以持續幾年也未發現有明顯變化。根據bcs電子配對理論,超導圓環內的電子全部配對成功,那么這兩束電子是如何形成超導電流的?它們又是如何保證幾年都不發生碰撞?

                            2、bcs理論最重要的預言是超導轉變溫度的極限是30k,后來麥克米蘭把這個極限值提高到39k。在1986年之前,bcs理論的預言一直成立,這個神話般的預言終于在1986年被打破,瑞士科學家柏諾茲和繆勒(1987年獲諾貝爾物理學獎)首先發現氧化物高溫超導體,將超導溫度提高到30k,很快美國華裔科學家朱經武和中科院物理所趙忠賢領導的研究組,他們先后把超導轉變溫度推到液氮溫區(77k以上)。不久朱經武的研究小組又把tc提高到令人不可思議的164k。

                            1987年2月16日 美國國家科學基金會宣布,朱經武與吳茂昆獲得轉變溫度為98k的超導體。

                            1987年2月20日中國也宣布發現100k以上超導體。1987年3月3日,日本宣布發現123k超導體。

                            1987年3月12日 中國北京大學成功地用液氮進行超導磁懸浮實驗。

                            1987年3月27日美國華裔科學家又發現在氧化物超導材料中有轉變溫度為240k的超導跡象。

                            在超導體中,電子之間(配對所需)的相互吸引力是由電子和晶格振動(聲子)之間的相互作用間接導致的。

                            穿過導體的電子將吸引晶格中鄰近的正電荷(導致晶格畸變),這種畸變使得另一個自旋相反的電子進入該高正電荷密度區,這樣兩個電子就互相關聯起來。因為在超導體中有很多這樣的電子對,這些電子對重疊得非常厲害,形成一個高度集中的凝聚體。在這個“凝聚”態中,拆掉一個電子對會改變整個凝聚體——不僅僅是一個電子,或一個對的能量,因此,拆掉任何單一的對所需的能量便與拆掉(凝聚體中)所有的電子對(或不僅僅是兩個電子)所需的能量相關。電子的配對會使能量勢壘增加,在導體中把電子從振蕩的原子中踢除的力(在足夠低的溫度下這種力很小)不足以影響整個凝聚體,或體內任何一個單個的“庫伯對成員”,因此電子配對在一起來抵抗這些踢除的力,而電子作為一個整體流動(即通過超導體的電流)也不會受到阻力。所以,凝聚體的集體行為是超導所必需的一個關鍵因素。

                            bcs理論首先假設電子間有一些可克服庫侖斥力的吸引力。在大多數材料中(在低溫超導體中),這種吸引力由電子與晶格的耦合間接導致(如前所述)這種效應是由于電子-聲子耦合,聲子正是這些帶正電荷的晶格的基體運動,但是bcs理論的結論并不依賴于引力相互作用的起源。

                            例如,在超冷費米子氣體中,當一個均勻磁場被調到它們的費什巴赫共振時,人們觀測到了庫伯對。bcs的原始結論描述了s波超導態,這是低溫超導體中的規律,但在許多非常規超導體如d波高溫超導體中還沒有實現這樣的結論。

                            gl理論的提出是基于以下考慮:當外界磁場強度接近超導體的臨近磁場強度時,超導體的電流不服從線性規律,且超導體的零點振動能不可忽略。

                            gl理論的最大貢獻在于預見了第二類超導體的存在。從gl理論出發,可以引出表面能κ的概念。當超導體的表面能κ

                            時,為第一類超導體;當超導體的表面能κ

                            時,為第二類超導體。

                            超導體的分類方法有以下幾種:

                            (1)根據材料對于磁場的響應:第一類超導體和第二類超導體。從宏觀物理性能上看,第一類超導體只存在單一的臨界磁場強度;第二類超導體有兩個臨界磁場強度值,在兩個臨界值之間,材料允許部分磁場穿透材料。從理論上看,如上文“理論解釋”中的gl理論所言,參數κ是劃分兩類超導體的標準。

                            在已發現的元素超導體中,第一類超導體占大多數,只有釩、鈮、锝屬于屬于第二類超導體;但很多合金超導體和化合物超導體都屬于第二類超導體。

                            (2)根據解釋理論:傳統超導體(可以用bcs理論或其推論解釋)和非傳統超導體(不能用bcs理論解釋)。

                            (3)根據臨界溫度:高溫超導體和低溫超導體。高溫超導體通常指臨界溫度高于液氮溫度(大于77k)的超導體,低溫超導體通常指臨界溫度低于液氮溫度(小于77k)的超導體。

                            (4)根據材料類型:元素超導體(如鉛和水銀)、合金超導體(如鈮鈦合金)、氧化物超導體(如釔鋇銅氧化物)、有機超導體(如碳納米管)。

                            超導材料和超導技術有著廣闊的應用前景。超導現象中的邁斯納效應使人們可以用此原理制造超導列車和超導船,由于這些交通工具將在懸浮無摩擦狀態下運行,這將大大提高它們的速度和安靜性,并有效減少機械磨損。利用超導懸浮可制造無磨損軸承,將軸承轉速提高到每分鐘10萬轉以上。超導列車已于70年代成功地進行了載人可行性試驗,1987年開始,日本開始試運行,但經常出現失效現象,出現這種現象可能是由于高速行駛產生的顛簸造成的。超導船已于1992年1月27日下水試航,目前尚未進入實用化階段。利用超導材料制造交通工具在技術上還存在一定的障礙,但它勢必會引發交通工具革命的一次浪潮。

                            超導材料的零電阻特性可以用來輸電和制造大型磁體。超高壓輸電會有很大的損耗,而利用超導體則可最大限度地降低損耗,但由于臨界溫度較高的超導體還未進入實用階段,從而限制了超導輸電的采用。隨著技術的發展,新超導材料的不斷涌現,超導輸電的希望能在不久的將來得以實現。

                            現有的高溫超導體還處于必須用液態氮來冷卻的狀態,但它仍舊被認為是20世紀最偉大的發現之一。

                            超導現象早在1911年就為世人所知。目前我國關于超導技術的各項研發均已步入正軌,且進入產業化運作,現已普遍運營在電力行業、通信領域、軍事領域以及醫療領域等。

                            在我國關于超導的研發中,超導材料經營經歷了低溫到高溫的研發,第一代材料已經研究成熟,第二代材料由于其成本低更適用于產業化運作而被市場看好;超導產品品類逐漸增加,現已進行產業化運作的有超導電纜、超導限流器、超導濾波器、超導儲能等。雖然與國際尚有一定的差距,但部分領域的研發已經處于國際先進水平。

                            由于超導技術被認為將在一定程度上決定一個國家智能電網的競爭力,因此,對于超導產業而言,“十二五”期間,我國智能電網的全面建設將給該產業的發展提供良好的發展契機。http://yifadz.51dzw.com

                            超導產業或將迎來“十年十倍”的快速增長,未來十年我國超導市場的規模約為1300-1600億元,預計到2020年,該產值將達到750億美元。

                            一次聽到超導概念的時候,是詫異的。竟然還有這樣的現象,其實令我們詫異的現象,有很多很多的。只要你愿意去找,去發現,物理世界的奇妙,會伴隨你一生。但很多令我們詫異的現象,我們也找到了原因。這就是人類的智慧。

                            1911年,荷蘭萊頓大學的h·卡茂林·昂內斯意外地發現,將汞冷卻到-268.98℃(4.2k)時,汞的電阻突然消失。后來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性,由于它的特殊導電性能,h·卡茂林·昂內斯稱之為超導態。昂內斯由于他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

                            首先電阻是描述導體導電性能的物理量,用r表示。電阻由導體兩端的電壓u與通過導體的電流i的比值來定義,即r=u/i。所以,當導體兩端的電壓一定時,電阻愈大,通過的電流就愈小; 反之,電阻愈小,通過的電流就愈大。因此,電阻的大小可以用來衡量導體對電流阻礙作用的強弱,即導電性能的好壞。電阻的量值與導體的材料、形狀、體積以及周圍環境等因素有關。文章出自:靈遁者國學智慧

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