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                            超导现象解释

                            发布时间:2018/9/22 10:07:21 访问?#38382;?3714

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                            超导现象。有三个特点。

                            1、低温条件下出现。

                            2、零电阻效应,即处于超导态的金属,直流电阻率为0(或者无限接近于0)。

                            3、迈斯纳效应。即超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象,于1933年时被瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现。在有磁场的情况下,样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时,样品几乎抵消掉所有里面的磁场。他们只是间接地探测到这个效应;因为超导体的磁通量守恒,当里面的场减少时,外面的场就会增加。这实验最早证明超导体不只是完美的导电体,并为超导态提供一个独特的定义性质。

                            当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时,磁体的磁场会使超导体表面中出现超导电流。此超导电流在超导体内部形成的磁场,恰好和磁体的磁场大小相等,方向相反。这两个磁场抵消,使超导体内部的磁感应强度为零,b=0,即超导体排斥体内的磁场。

                            本质上来讲,超导现象属于电磁学现象,所以应该电磁学现象入手去解决。也就是从电荷理论,电磁学理论去解决。这是我的第一想法。bcs理论却不是这样的,它是以量子力学手段去解决的。当然电磁学理论本身就是承上启下的理论。即是经典物理理论,也是量子力学理论。所以这个不是不足之处。http://cjj.51dzw.com/

                            另外超导现象,?#27492;?#31616;单,其实算是复杂的。低温情况,你要考虑到热力学问题。零电阻效应你要考虑到物质结构问题。迈斯纳效应你要考虑到电磁学理论,电荷理论,这样就会延伸到量子力学中来。

                            所以应该这样的分析,非超导现象的时候,电流在导体中传播受电阻影响会产生热。这说明什么呢?常温下,电流和导体是有能量?#25442;?#30340;,所以有损耗能量。通俗的讲,你可以这样理解,常温下构成导体的粒子比低温下,更加活跃和混乱,彼此之间流动是各自为号角行动。所以粒子和导体结构之间的“摩擦?#34987;?#24456;多。再讲一个比喻就是没有信号灯指挥的时候,十字路口?#23548;?#28151;乱,有信号灯的时候,路就畅通了。

                            而低温条件,就好像是号角,就好像是信号灯。给了所有电子一个信号,集合了,要统一有序行动。这样摩擦就突然没有了,就是超导状态。而且低温条件,也会改变导体的结构态,也更加利于电流的畅通无阻。

                            大家不要忘记,前面我们说的,玻色——爱因斯坦凝聚态。也是在低温环境下出现的物理现象,还有超流体。当我们开始将原子冷却到接近绝对零度的极低温度时,我们开始看到一些奇怪的事情发生。?#29575;?#19978;,许多这些奇特的现象导致非常?#23548;?#30340;用途。当气体冷却时,我们观察到玻色 - 爱因斯坦凝聚体,其中所有原子处于相同的量子宏观状态。

                            氦-4在冷却到临界温度以下时表现出超流性,在这里流体可以无任何阻力地流动,但具有可以在不破坏超流体的情况下流动的最大速度。当一些固体冷却到临界温度时,我们会看到超导行为,电流可以在没有任何阻力和能?#20811;?#22833;的情况下流动。此外,这些还会使材料外部的磁通量排出,从而导致外部磁场产生悬浮效应; 这被称为迈斯纳效应。

                            这些效应的出现都和低温条件有关,这就是一个很很重要的条件。针对bcs理论的缺陷,我们完全可以提出大胆修正。将超导理论和凝聚态,以及超流体理论去靠拢。然后再从结构上,再从量子手段去解释。这是方法。

                            库珀对概念,可以有,而且实验有这样检测的迹象。但库珀对的概念要有修动。改成库珀团更合适。本?#20174;?#20110;泡利不相容原理,不同的费米子不能占据同一量子态,因此费米子不能像玻色子那样直?#26377;?#25104;玻色-爱因斯坦凝聚态。

                            但科学家通过一种叫库柏对的机制,可以将费米子【电子】结合在一起,形成具有玻色性子的“费米子”。这样这些费米子就可以在温度达到极限的时候,慢慢占据最低能态,就好像大?#20197;?#22909;了一群走到一个地方。这个时候注意了,是占据最低能态,不是费米面了。

                            那么可能有的同学会问了:“通过库柏机制形成的费米子组合是玻色子吗?”http://zxwdz.51dzw.com/

                            上文说中把两个费米子结合在一起成为具有玻色子性质的“费米子对”即库柏对。就是回答了这个问题,即组合的费米子不是玻色子。但它具有玻色子的一些性质。不过从自旋方面?#27492;擔?#36825;些组合粒子也是整数自旋。但从根本上的统计?#27492;擔?#26159;不同的。

                            什么是库柏对,是指电子结合在一起的状态。一般?#27492;擔?#30005;子之间都有微小的引力,由此使得电子的能量低于费米能时,电子就会结合在一起,这一能量降低大约是1mev的量级,一般的温度对应热运动能量相对很大,因此库柏对的现象通常要在低温下超导状态才会出现。

                            玻色子的凝聚是说所有的粒子的波函数完全一样,但是费米子的凝聚是说,复合子的两个费米子的动量k都不一样,但是它们总的动量都是一样的, 所以凝聚是总动量的凝聚。这?#37096;?#20197;从它们的波函数上看出来。

                            还可以这样表述:在库柏机制下,费米子对可形成束缚态,就像一个复合粒子(原子就是一种典型的复合粒子),而这个复合粒子表现为一个玻色子,所以,费米子对凝聚态本质上就是玻色爱因斯坦凝聚态。【也就是说没有玻色-爱因斯坦凝聚态机制,费米子凝聚不可能存在!】当物质冷却时,费米子逐渐占据最低能态,但它们处在不同的能态上,就像人群涌向一段狭窄的楼梯,这种集聚可以理解bcs关于库珀对在费米面的聚合。这个时候的电子流有类似于超流体的性质。而且这个能带的导电性能达到最高,晶格的振动也达到最低能态。也就是这个时候,其实用声子—电子耦合为库珀对的理论,不再适合。因为声子本身是理想概念。不如从低温条件改变晶格体本身去解释,更靠谱。就是晶格体的能带导电性达到最高状态。因费米子凝聚态集合的库珀团,此刻也具有超流体性质,可以无摩?#31890;?#26080;相互作用的在导体中以光速传递。

                            这里有必要解释一下库珀团的概念。如果是库珀对的话,那么库珀对于库珀对之间也没有作用吗?#20811;?#20197;这也是bcs理论的缺点。如果库珀团的话,这个就好解释了。整个电子流就是一个整体。是由库珀对组成的,即库珀团是由库珀对组成的。库珀团的概念,你可以理解为一个区域,最低能态。库珀对就集中在这里。由于晶格体也处于低温条件下,?#25442;?#24433;响就可以忽略不计。库珀团与整个晶格体没有能量?#25442;ィ?#26080;摩擦在传播,这就是超导现象。所有的超导现象都是这样的。

                            然后超导电流会排斥掉导体中的磁场,从而导致外部磁场产生悬浮效应; 这被称为迈斯纳效应。

                            所以最后总结一下。低温条件,会产生库珀对,以及形成库珀团,产生超导电流。同时低温也改变导体结?#36141;?#25391;动,使得导体中超导电流和结构节?#25442;?#20026;零,摩擦为零。这个时候声子的概念,其?#20302;?#20986;。毕竟无论是费米还是玻色凝聚态中,都没有声子概念。这个修改,bcs理论更实在靠谱。

                            迈斯纳效应需要从电磁学和量子力学去解释,也就是上面说了,超导电流会排斥掉导体中的磁场,从而导致外部磁场产生悬浮效应; 这被称为迈斯纳效应。

                            不过这样修改,高温超导或者常温超导,还是无法解释。高温意味着库珀团的慢慢瓦解,也就是库珀对的一个个脱离该区的控制。就会和晶格体产生?#25442;ィ?#20174;而产生电阻。失去超导效应。如果这样修改,温度上限是多少,我自己也?#25442;?#35745;算。只是内心的思路是这样的。

                            我做?#30772;眨?#20854;实还是为了表达自己的观点,哪怕80%的内容,是?#30772;眨?#26159;整理,也得留20%的内容给自己。不然?#19968;?#19981;如不写这本书。?#19968;?#30528;,思考了这个东西,就是要告诉你们,我思考了什么。

                            当然我很清楚,我的这点知识少的可怜。数学更是死穴。但没有办法,?#19981;?#36825;个东西,是没有办法。不然我也?#25442;?#36825;么去思考。

                            你热爱什么,就去思考什么。也许这不能产生价值,也不能当饭吃,但这个过程,绝对精彩。把精彩的思维,献给你精彩的人生。错了,能有什?#27492;?#22833;呢。没有人不?#22797;恚?#20063;没有?#20439;?#26159;?#22797;懟?#24858;人千虑也有一得啊。所以勇敢的去思?#21450;傘?

                            1987年12月30日 美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到140.2k。总结起来就是一句话,?#32654;?#35770;不能解释高温超导问题。不过上面提到的gl超导理论可以。而有学者认为gl理论可以从bcs理论推出来。

                            3、库珀对的形成机制。能隙,能带这样的理论,很符合实验验证。库珀对是电子-声子耦合形成。但声子是个概念,其实是振动的最小能量。本身不是一个粒子。所以说库珀对有建立在虚粒子基础之上的嫌疑。那么bcs理论的可信度,就会下降。

                            4、同位素系数问题。这个是我在科学网上看到的。内容是这样的:谈及反对bcs理论,一定要提美国物理学家hirsch,他以“h-因子”而闻名科学界。最近他发表了一篇相当轰动的文?#25314;篵cs theory of superconductivity: the world’s largest madoff scheme?(bcs超导理论:世界最大的麦道夫骗局),在论文中,他列举了bcs理论的十个错误,把bcs理论批得体无完肤。据hirsch本人介绍,这篇“极其反动”的学术论文先后投送多家著名学术期刊,都被编辑或审稿人以各种莫须有的罪名枪毙了,最后只能委身于某三流的sci期刊。http://msldz.51dzw.com/

                            bcs理论的核心是所谓的电-声子相互作用的电子配对,bcs理论是对还是错?有一个简单的评判标?#36857;?#37027;就是公式(1)的超导同位素效应,公式中a是常数,tc是超导转变温度,m是同位素质量,a为同位素效应系数,如果bcs理论正确,系数a必须严格地等于0.5。最早支持bcs理论的是汞(hg)同位素效应,如下图所示。这图出现在几乎所有超导相关的教科书中,陆?#21483;?#32493;科学家在锡、铅等超导材?#29616;?#20063;发现了0.5的关系,多少人惊叹bcs理论真乃神来之笔!尽管后来发现锆(zr)的超导同位素系数a=0,而铀(u)的超导同位素系数a=-2,面对如此离奇的实验结果,人们还是迷信?#25237;〔换?#38169;,bcs理论?#25442;?#26377;问题。

                            5、对于不同超导材料,需要用到不同的理论解释。这个也有疑惑。超导理论应该是一个统一的理论。就是对于不同的材料,用同一个理论进行解释。

                            那么问题来了,超导现在究竟该如何解释?bcs理论有哪些需要修正的地方?如?#38382;?#20320;?#32654;?#35770;的?#27425;?#32773;,你如?#20301;?#31572;这些质疑?如果你不是?#32654;?#35770;的?#27425;?#32773;,你又有哪些想法?

                            严格的量子力学的解释表明这种效应是由于电子-声子耦合。形成库珀对的两个电子,一个自旋向上,另一个自旋向下。在低温条件下,这个库珀对结合能可能高于晶格原子振动的能量,这样,电子对将?#25442;?#21644;晶格发生能量?#25442;唬?#20063;就没有电阻,形成所谓的“超导现象”。

                            bcs理论很成功,但随着超导现象的深入研究,质疑声不断。有如下几点。

                            1、我们知道,将一超导?#19981;?#25918;在磁场中并冷却到临界温度以下,突然撤去磁场,则在超导环中将产生感生超导电流。实验发现,此电流可以?#20013;?#20960;年也未发现有明显变化。根据bcs电子配对理论,超导?#19981;?#20869;的电子全部配对成功,那么这两束电子是如何形成超导电流的?#20811;?#20204;又是如何保证几年都不发生碰?#29627;?

                            2、bcs理论最重要的预言是超导转变温度的极限是30k,后来麦克米?#21450;?#36825;个极限值提高到39k。在1986年之前,bcs理论的预言一直成立,这个神话般的预言终于在1986年被打破,瑞?#38752;?#23398;家柏诺兹和缪勒(1987年获?#24403;?#23572;物理学?#20445;?#39318;先发现氧化物高温超导体,将超导温度提高到30k,很快美国华裔科学家朱经武和中科院物理所赵忠贤领导的研究组,他们先后把超导转变温度推到液氮温区(77k以上)。不久朱经武的研究小组又把tc提高到令人不可?#23478;?#30340;164k。

                            1987年2月16日 美国国家科学基金会宣布,朱经武与吴茂昆获?#31859;?#21464;温度为98k的超导体。

                            1987年2月20日中国也宣布发现100k以上超导体。1987年3月3日,日本宣布发现123k超导体。

                            1987年3月12日 中国?#26412;?#22823;学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。

                            1987年3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材?#29616;?#26377;转变温度为240k的超导迹象。

                            在超导体中,电子之间(配对所需)的相互吸引力是由电子和晶格振动(声子)之间的相互作用间接导致的。

                            穿过导体的电子将吸引晶格中邻近的正电荷(导致晶格畸变),这?#21482;?#21464;使得另一个自旋相反的电子进入该高正电荷密度区,这样两个电子就互相关联起来。因为在超导体中有很多这样的电子对,这些电子对重叠得非常厉害,形成一个高度集中的凝聚体。在这个“凝聚”态中,拆掉一个电子对会改变整个凝聚体——不仅仅是一个电子,或一个对的能量,因此,拆掉任何单一的对所需的能量便与拆掉(凝聚体中)所有的电子对(或不仅仅是两个电子)所需的能量相关。电子的配对会使能量?#35780;?#22686;加,在导体中把电子从振荡的原子中踢除的力(在足够低的温度下这?#33267;?#24456;小)不足以影响整个凝聚体,或体内任何一个单个的“库伯对成员?#20445;?#22240;此电子配对在一起来抵抗这些踢除的力,而电子作为一个整体流动(即通过超导体的电流)也?#25442;?#21463;到阻力。所以,凝聚体的集体行为是超导所必需的一个关键因素。

                            bcs理论首先假设电子间有一些可克服库仑斥力的吸引力。在大多数材?#29616;校?#22312;低温超导体中),这种吸引力由电子与晶格的耦合间接导致(如前所述)这种效应是由于电子-声子耦合,声子正是这些带正电荷的晶格的基体运动,但是bcs理论的结论并不依赖于引力相互作用的起?#30784;?

                            例如,在超冷费米子气体中,当一个均匀磁场被调到它们的费什巴赫共振时,人们观测到了库伯对。bcs的原始结论描述了s波超导态,这是低温超导体中的规律,但在许多非常规超导体如d波高温超导体中还没有实现这样的结论。

                            gl理论的提出是基于以下考虑:当外界磁场强度接近超导体的临近磁场强度时,超导体的电流不服从线性规律,且超导体的零点振动能不可忽略。

                            gl理论的最大?#27605;?#22312;于预见了第二类超导体的存在。从gl理论出发,可以引出表面能κ的概念。当超导体的表面能κ

                            时,为第一类超导体;当超导体的表面能κ

                            时,为第二类超导体。

                            超导体的分类方法有以下几种:

                            (1)根据材料对于磁场的响应:第一类超导体和第二类超导体。从宏观物理性能上看,第一类超导体只存在单一的临界磁场强度;第二类超导体有两个临界磁场强度值,在两个临界?#25269;?#38388;,材料允许部分磁场穿透材料。从理论上看,如上文“理论解释”中的gl理论所言,?#38382;?#26159;划?#33267;?#31867;超导体的标准。

                            在已发现的元素超导体中,第一类超导体?#21363;?#22810;数,只有?#21834;?#38092;、锝属于属于第二类超导体;但很多合金超导体和化合物超导体都属于第二类超导体。

                            (2)根据解释理论:传统超导体(可以用bcs理论或其推论解释)和非传统超导体(不能用bcs理论解释)。

                            (3)根据临界温度:高温超导体和低温超导体。高温超导体通常指临界温度高于液氮温度(大于77k)的超导体,低温超导体通常指临界温度低于液氮温度(小于77k)的超导体。

                            (4)根据材料类型:元素超导体(如铅和水银)、合金超导体(如铌钛合金)、氧化物超导体(如钇?#20302;?#27687;化物)、有机超导体(如碳纳米管)。

                            超导材料和超导技术有着广阔的应?#20204;熬啊?#36229;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?#30340;?#25439;。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?#38498;劍?#30446;前?#24418;?#36827;入实?#27809;?#38454;段。利用超导材?#29616;?#36896;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?#32654;?#36755;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?#36291;?#34987;认为是20世纪最伟大的发现之一。

                            超导现象早在1911年就为世人所知。目前我国关于超导技术的各项研发均已步入正轨,且进入产业化?#20439;鰨?#29616;已普遍运营在电力行业、通信领域、军事领域以及医疗领域等。

                            在我国关于超导的研发中,超导材料经营经历了低温到高温的研发,第一代材料已经研究成熟,第二代材料由于其成本低更适用于产业化?#20439;?#32780;被市场看好;超导产?#33778;?#31867;逐渐增加,现已进行产业化?#20439;?#30340;有超导电缆、超导限流器、超导滤波器、超导储能等。虽然与国际尚有一定的差距,但部?#33267;?#22495;的研发已经处于国际先进水平。

                            由于超导技术被认为将在一定程度上决定一个国家智能电网的?#36203;?#21147;,因此,对于超导产业而言,“十二五”期间,我国智能电网的全面建设将给该产业的发展提供良好的发展契机。http://yifadz.51dzw.com

                            超导产业或将迎来“十年十?#19969;?#30340;快速增长,未来十年我国超导市场的规模约为1300-1600亿元,预计到2020年,该产?#21040;?#36798;到750亿美元。

                            一次听到超导概念的时候,是诧异的。竟?#25442;?#26377;这样的现象,其实令我们诧异的现象,有很多很多的。只要你愿意去找,去发现,物理世界的奇妙,会伴随你一生。但很多令我们诧异的现象,我们也?#19994;?#20102;原因。这就是人类的智慧。

                            1911年,荷兰莱顿大学的h·卡茂林·昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98℃(4.2k)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,h·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年?#24403;?#23572;奖。

                            首先电阻是描述导体导电性能的物理量,用r表示。电阻由导体两端的电压u与通过导体的电流i的比值来定义,即r=u/i。所以,当导体两端的电压一定时,电阻愈大,通过的电流就愈小; 反之,电阻愈小,通过的电流就愈大。因此,电阻的大小可以?#32654;?#34913;量导体对电流阻碍作用的强弱,即导电性能的好坏。电阻的量值与导体的材料、形状、体积以及周围环境等因素有关。文章出自:灵遁者国学智慧

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