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論述超導現象及其特征

超導現象是指材料在低於某壹溫度時,電阻變為零的現象,而這壹溫度稱為超導轉變溫度(Tc)。超導現象的特征是零電阻和完全抗磁性,因此超導現象在生活中應用廣泛;特征如下:

1、完全抗磁性

1933年,德國物理學家邁斯納(W.Meissner)通過實驗發現:當置於磁場中的導體通過冷卻過渡到超導態時,原來進入此導體中的磁感線會壹下子被完全排斥到超導體之外,超導體內磁感應強度變為零,這表明超導體是完全抗磁體。這個現象稱為邁斯納效應。

2、存在臨界磁場

實驗表明,超導態可以被外磁場所破壞,在低於Tc的任壹溫度T下,當外加磁場的磁感應強度B小於某壹臨界值Bc時。超導態可以保持;當B大於Bc 時,超導態會被突然破壞而轉變成正常態。臨界磁場Bc不僅與超導體本身性質有關,還與溫度T有關。

3、同位素效應

超導體的臨界溫Tc與其同位素質量M有關。M越大,Tc越低,這稱為同位素效應。例如,原子量為199.55的汞同位素,它的Tc是4.18開,而原子量為203.4的汞同位素,Tc 為4.146開。

超導體的應用

1、零電阻輸電

在電網的輸電過程中,電能的損耗在5%-7%,如果國家電網都用超導線進行輸電,則年可節約幾千億度電,這對節約能源、減少碳排放有重要作用。

2、磁懸浮列車

磁懸浮列車的速度可達600km/h,若放在真空管道,則可達3000km/h以上,可極大提高運輸效率。

3、核磁***振

穩定的強磁場可以給醫院的核磁***振設備帶來更加精確的檢測結果。

4、超導量子幹涉儀

利用超導體的約瑟夫森效應可以做成超導量子幹涉儀,其對磁場的測量精度可達地磁場的億分之壹,是非常重要的科研儀器。

5、回旋加速器

歐洲核子研究中心的回旋加速器,使用了約1200噸的超導線材,以幫助提供穩定的強磁場,以實現粒子的偏轉。

6、可控核聚變

在目前的托卡馬克核聚變裝置中,僅超導線材的長度就達到了15萬公裏,這些超導體可以提供強磁場來束縛上億度的等離子體。

7、量子計算機

有理論表明,量子計算機的計算能力相較於普通計算機有質的飛躍,其中的超導芯片可以在提高運算速度的同時,也降低功耗。