超导极其应用

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从导电性的角度，我们把材料分为导体、绝缘体，还有半导体。那么，还有没有导电性更为奇特的材料呢？

§14~3 超导极其应用

【目的】
1、知道什么是超导现象，了解相关名词
2、了解超导的历史，知道一些重要的物理事件
3、知道超导的应用，激发勇于探索前沿科技的精神
【重点】
超导现象和应用
【教学难点】
转变温度TC和材料的必然联系
【教具】
投影仪
【教学过程】
○、复习＆引入
金属导体的电阻率一般都会随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低，当温度降到足够低的时候，情形会怎样呢？
前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过，促使电子定向移动的因素是什么？——☆学生：电场力。制约电子定向移动的微观因素是什么？——☆学生：电子的热运动。
那么我们是不是可以这样认为，当温度足够低，热运动很微弱的时候，电子受到的阻碍作用会非常非常小呢？
下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角度，还有应用的角度阅读一下教材P156~157的内容，阅读完毕后，请同学们作相关的总结——
☆学生阅读…
★学生总结——
一、超导现象
超导现象：大多数金属在温度降到某一数值时，都会出现电阻突然降为零的现象
转变温度：导体由常态转变成超导状态的温度，用TC表示。
*两种类型的超导体：a、常规金属超导体；b、合金超导体，有两各转变温度，而且在两个转变温度之间，磁效应和电效应会出现“不一致”的情形。
二、超导的历史
年份科学家材料转变温度TC
1911（荷）昂尼斯汞4.2K
至1986上半年23K
1986年7月镧钡铜氧化物35K
1987年2月美、中钇钡铜氧化物90K
1992年初125K
*三、超导的相关研究
1、迈斯纳效应
把温度T < Tc的超导体放入磁感应强度为B02、约瑟夫森效应（超导隧道效应）
1962年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言：当两块超导体（S）之间用很薄（10~30 ）的氧化物绝缘层（I）隔开，形成S－I－S结构，将出现量子隧道效应．这种结构称为隧道结，即使在结的两端电压为0时，也可以存在超导电流．这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森效应．约瑟夫森从结论上证明超导隧道结的一些奇特性质．例如，当两端电压V不等于0时，会出现一个高频振荡的超导电流，它的频率f满足关系式
f = V
其中e为基本电荷，h为普朗克恒量．这时隧道结好像一根能辐射电磁波的天线；反之，当频为f1的外界电磁波辐射到结上时，它的能量会被结吸收，从而在直流I-V 曲线上引起一系列电流台阶，如右图所示，其中第n个台阶处的电压满足关系式．
Vn = f1
　　约瑟夫森的预言不久就被实验证实，这为一门新学科 超导电子学奠定了基础，他因此而获得1973年诺贝尔物理学奖．
3、同位素效应
1950年，麦克斯韦和雷诺等人用实验证明，临界温度TC与样品的同位素质量M 有关，M 越大，TC 越低，其关系可以用近似公式 TC = 常数来表示，这说明超导现象的形成与原子核的质量有关。
4、超导体比热在临界温度的不连续性
实验表明，超导体在临界温度TC时，比热发生不连续的变化，超导态的比热大于正常态的比热，但从正常相变为超导相时，没有吸收或放出潜热，这称为第二类相变。
四、超导的应用
1、优越的超导电机
普通发电机组中的材料载流量十分有限，由于电路中有电阻，总要发热，因此既不经济又不安全。用超导体制造电机，完全不发热，可以提高载流量，据专家计算，用超导体制作电机，功率可以提高几十倍。
2、省电的超导电路
普通的电路由于输电线的耗能严重，必须经过升压、降压的程序，而且也不可能作到完全不损耗。超导体导线则能完全解决这个问题。
3、精密的超导仪器
一些精密的仪器，如核磁共振仪、电子显微镜等对磁场有非常严格的要求（强度要高、稳定性要高、磁感线分布要理想，有时还要求很大的尺寸），普通的材料很难达到要求，超导则能解决这个问题。
4、神速的超导计算机
把超导体应用于计算机将会迎来科学史上的一次重大革命。理论研究表明：应用约瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可以比当前使用的半导体集成电路快十几~二十几倍，而且它消耗的电能只有现在普通计算机的1% 。
5、超导磁悬浮列车
在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h ，1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极强的磁场，使列车的速度达到500km/h 。
四、小结
本节讲了超导的概念、名词，相关的物理学史，展望了超导的应用前景。值得注意的是，超导是一门前沿科学，还不是很成熟。大家通过学习也看到了，超导要真正走上产业化，道路还比较漫长，所以还有待我们积蓄实力、挑战未来。希望同学们树立远大志向，争取能够在不久的将来改写历史。
五、作业布置
阅读教材；
上网查询有关超导的内容；
《学海导航——物理（下）》P7~8“巩固提升”A组，做在书上
【板书设计】
见带框字符，即是板书计划。
【教后感】

【阅读】
◎磁场对超导体的影响◎
磁场对超导体的影响与超导体的材料有关．
（1）外加磁场强度超过一定值时，可以破坏超导电性．破坏超导体所需的最小磁场叫临界磁场．其磁感应强度用BC表示，用BC0表示绝对零度时的临界磁场，则大多数金属超导体的临界磁场BC与温度T 的近似关系是：

（3）磁致超导性．1962年，物理理论家V?Jacarino和M?Petar预言，可能在某些物质中会发生与外磁场破坏超导性相反的情形，用磁场可诱发超导状态．二十年后，日内瓦大学的Fischer和他的同事们用铕化合物制造出一系列磁致超导体，他们所得到的材料的性质，与理论预言精确地符合。

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