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欧博客户端下载:初中生也能懂的超导科普文

admin2021-07-0164

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超导,是指导体在某一温度下,电阻为零的状态。超导征象一直都是国际物理学界研究的热门,吸引着无数顶尖物理学家探讨其中的隐秘。据统计,自1911年荷兰科学家昂内斯首次发现超导征象以来,至少5届诺贝物理学奖颁给了研究超导的物理学家。[1]

超导磁悬浮征象

超导手艺的一大应用远景就是用来制作输电导线。我们一样平常可见的输电线缆,在运送电力的历程中不能制止的由于导线的电阻会发生热效应,通常运送电能的7%都市转化为导线发烧耗散掉[2]。

这是一笔不小的损失,2019年中国全社会用电量为72255亿千瓦时,根据工业平均电价每千瓦时=0.725元盘算,一年内仅输电线路上损失的社会财富就到达了3667亿人民币[3]。使用超导体做输电导线,这项电能消耗就可以被节约下来。因此,超导手艺有着未来伟大的经济远景。

在2020年,人类首次缔造出在15℃的室温条件下处于超导状态的质料。一个美国研究团队将碳、氢、硫夹杂质料加压到267±10GPa(相当于200多万倍尺度大气压)时,实现了转变温度高达287.7±1.2K(约15℃)的室温超导征象[4]。

在此之前,人类发现的超导质料通常需要零下150℃以下的低温环境才气进入超导状态,这次的室温超导再次激提议了人们将超导手艺引入适用的希望。然而,虽然这次的超导研究打破了低温的限制,却又在另一方面引入了极端苛刻的条件――高压。

267GPa的压力相当于尺度大气压的260万倍,逾越了深海最深处的海水压力,可以与之相提并论的只有地球中央370Gpa的压强。想要缔造出这样高的压强,就需要使用最坚硬的物体金刚石来做砧板,还要配合大要积压机来提供压力。

金刚石对顶砧

然而人类现在对超导的基本原理熟悉得还不够完整,实验发现一直走在理论前面,许多高温超导征象至今都没有完善的理论注释。而且对于超导的物明晰释通常都需要用到量子力学、玻色�C爱因斯坦凝聚态等等异常高深的物理学理论。

有没有设施让中学生也能明晰一下超导征象的原理呢?笔者在这里就用中学的物理知识十分粗浅地类比注释一下为何低温可以发生超导,高压也可以发生超导。

当我们学习电学的时刻,领会过导线中电流的发生是由于自由电子定向移动,单元时间内通过导线截面的电子所带电荷量就是电流。因此电流拥有决议式I=neSv;n代表单元体积内自由电子数目,e为电子电荷;S为导线横截面积,v为电子定向运动速率。

以铜为例,铜单元体积内电子数n=8.4X1022/cm3,e=1.6X10-19C,直径1mm铜导线中通过1A电流时,由电流的决议式可盘算出自由电子定向移动平均速率v=7.4X10-5m/s。可见导体中自由电荷定向移动的平均速率很小。

自由电荷水流模子

无论金属导体中的自由电子是否在外加电压的作用下发生定向移动,其首先拥有凶猛的无规则热运动。凭证金属经典电子理论,电子热运动和气体分子运动一样,电子热运动的平均速率有以下公式:

式中k是波尔兹曼常数,k=1.38X10-23J/K,电子质量m=0.91X10-30kg,T是热力学温度。由公式可以算出,当温度到达27摄氏度,热力学温度300K时,电子热运动的平均速率为1.08X105m/s[5]。

虽然电子热运动的平均速率很大,但从其宏观效果上看,自由电子同导体分子的相互碰撞,不会导致导体加热温度升高。由于电子同导体分子处于统一热平衡状态,电子热运动的动能不会转移到分子上。

另一方面,虽然导体中自由电子定向移动的平均速率很小,但这依然意味着外加电压电场对自由电子做功,增添了自由电子的总体平均速率和动能,这就打破了自由电子同导体分子原本所处的热平衡状态。电子同导体分子的碰撞,就会使一部门电子运动的动能转移到分子上,提高导体分子热运动的速率,宏观上就显示为导体上发生电流的热效应,既焦耳热。

若是我们把电势差类比为高度差,自由电子定向移动类比水流。导体的电阻就可以类比为水管对水流的摩擦阻力。电流越大意味着水流的速率越快,而电阻越大,意味着管道的摩擦阻力越大,流经管道的水流的压力下降就越快,由此发生了欧姆定律。

摩擦生热

同摩擦阻力作用相同,由于摩擦生热,摩擦阻力将动能转化为热能,电阻也能将自由电子定向移动的动能转化为热能,这就有了焦耳定律Q=I Rt。

而导体质料微观上有种种晶格结构,也就是说可以想象成种种元素的球状原子核根据一定纪律排列堆垛,这些原子核也在不停做着杂乱无章无规则的热运动,穿行其间的电子就像种种障碍闯关类游戏中的角色一样要受到种种袭击滋扰。

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当导体温度降至极低,原子核与电子热运动的动能都下降的时刻,可以想象为下图的种种障碍物都住手了摆动滋扰,电子不规则热运动四处随机碰钉子的征象也消逝,之后电子就可以不受阻碍得定向通过导线,发生宏观上的超导征象,这就一定水平上注释了低温超导。

糖豆人逃避摆锤障碍

但这又发生了另外一个问题,通常我们以为压力越大,阻力越大,但为何高压反而能发生超导,将金属导体的电阻降为0呢?

现今的注释主要是以下三点:

1、质料在高压条件 *** 积减小的同时增大了自由电子的浓度

2、质料在高压条件下晶格结构相变,也就是各元素原子核排列堆垛形式转变,发生超导相组织;

3、又或者高压条件极大增强了有利于超导的某种相互作用。

若何用中学物理

来明晰这件事?

首先原子核及其外受到约束的电子(能量较低而不能自由运动)组成了原子实。可以想象而高压情形下,原子实存在热运动,又由于压力作用原子间距离缩短,其热运动的平均自由程受到伟大限制,也就是相邻原子延续两次碰撞之间所通过的平均距离缩至极短。原子实所有慎密排列,都在一个很小的局限内凶猛高频振荡。

小球振荡模子

将原子实类比成小球,最最先小球在两板间以速率v往返弹性碰撞,运动的距离就是热运动的平均自由程,当两板都向中央压缩直到距离即是小球直径,此时小球虽然仍有速率和动能,但没有空间显示热运动,从某种方面看就像热运动消逝了一样平常。

在这样极高的压力下,定向运动的电子已不能能从两个原子核球心连线处通过,所有定向移动的电子都要从如图原子堆垛的裂痕中通过。此时原子堆垛间的悠闲就成为了稳固的电子通道,其中定向运动的电子纵然与原子发生碰撞也无法将电子动能转化为原子的热运动能量,由于原子所能拥有的热运动平均速率也已经在外界压力下到达极限,原子间晶格结构极端刚性无法发生任何改变。

一个电子每通报一份动能给原子,原子晶格畸变将在高压下马上恢复,并将这一份动能通报给途经的一个自旋相反的电子。因此电子在原子裂痕隧道中定向运动,整体上动能不会损失,其受到的阻碍作用降为0,宏观上就显示出超导征象。

原子堆垛间隙模子

虽然这种模子极端简陋,也不相符量子力学凝聚态物理的成熟理论,但这已经是让中学生明晰超导征象最便利的模子了。这也注释了科学家为何要实验种种差其余质料,施加伟大的压力,来改变原子晶格结构,在一定温度压力下实现最致密堆垛来寻找可能的超导质料。

[1]《超导与诺贝尔奖》罗会仟 - 自然杂志 - 2017

[2]《惊人!超导手艺应用于输电线路,节约了若干电力消耗?》央视走近科学栏目

[3]《2020年中国全社会用电量、发电量及新增发电装机容量剖析》国家统计局年鉴

[4] Snider, E. et al. Nature 586, 373�C377 (2020). DOI:10.1038/d41586-020-02895-0

[5] 高中物理选修3-1 西席用书 人民教育出书社

作者先容:卢云深,新东方智慧学堂授课先生,清华大学机械工程与自动化学士,清华大学质料科学与工程专业硕士。

泉源:新东方智慧学堂

原文问题:室温超导问世!初中生也能懂的超导科普文

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