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《电路分析导论(原书第12版)》一3.11 超导体

简介:

本节书摘来华章计算机《电路分析导论(原书第12版)》一书中的第3章 ,第3.11节,(美) Robert L.Boylestad 著 陈希有 张新燕 李冠林 等译更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.11 超导体

电气和电子技术领域是我们这个时代最令人兴奋的领域之一。从技术研究到产品开发,几乎每周都有新的进展。一些研究促进了超导技术的发展,使其能够在接近室温的条件下工作。在这方面的研究备受关注是由于人们渴望减少能量损失的缘故。什么是超导体?为什么它们的发展如此重要?简言之,超导体是对所有实用目的的电荷运动具有零电阻的导体。
尽管爱因斯坦的相对论已经表明,信息传输的最大速度是光速,即186000mi/s,但在普通导体中,电子传输的平均速度大约为1000mi/s(相当于在3s时间内穿越美国大陆)。在普通导体中,导致相对较低的电子传输速度的原因包括:电子不断与原子发生碰撞;电子之间存在排斥力;导体中的临近原子和杂质的运动,使电子运动的路径不断发生转折,从而加长了电子运动的实际路程,等等。在超导状态下,导体中存在配对的电子,这种现象称为库珀效应。这些配对的电子成对地通过导体,并且能够互相帮助,结果它们以一种显著增高的速度通过导体。在某些方面,这就像竞技自行车手(或长跑运动员)相互之间的“拖拽”。在电子对之间存在一种振荡的能量,保证了它们能以尽可能高的速度通过导体,却又消耗最少的能量。
虽然超导的概念早在1911年就出现了,但直到1986年各学术组织才开始研究在室温下产生超导的可能性。在这70多年中,超导性都是在23K(相当于-250℃)以下的极低温度下实现的。然而,1986年,IBM苏黎世研究中心的物理学家亚历克斯·缪勒和柏诺兹·乔治发现了一种陶瓷材料——镧钡铜氧化物,它在温度为30K时能显示出超导特性。这一发现将人们引入了一个新的研究方向,并激励其他研究人员对其进行改进。1987年10月,两位科学家由于对这一重要研究领域的突出贡献而双双获得诺贝尔奖。
短短几个月后,休斯敦大学的Paul Chu教授和阿拉巴马大学的Man Kven Wu教授便将超导温度提高到了95K,他们使用的是钇钡铜氧化物超导体。结果在科学界引起了新的兴奋,他们把这一领域的研究成果提升到了新高度,并带来了投资热潮。这一发现的重要意义在于:可以使用液态氮(沸点为77K)而不是使用液态氦(沸点为4K)将温度降低到产生超导所需的温度。结果大大节省了冷却费用,因为使用液态氦比使用液态氮至少昂贵十倍。沿着同一方向继续探索,使用铊化合物,在125K和162K温度下就能产生超导特性,在这方面已经取得了某些成功。不幸的是,铊是剧毒物质。
图3.33表明了1986年在超导体中使用陶瓷材料的发现是怎样导致超导技术领域的快速发展的。2008年,使用带有少量铟的锡铜氧化物,将实现超导体的温度提高到了212K的新高度,这是在高温超导研究方面的惊人进展。image

从超导体返回到普通导体的温度称为临界温度,用Tc来表示。注意,在图3.34中,电阻率在临界温度Tc附近发生了骤然变化。
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图3.34 临界温度Tc的定义图中过渡区域的陡峭程度是样品纯度的函数。关于各种化合物临界温度的列表可以在相关参考资料中查到,这些参考资料提供的详细表格,有力地支撑了物理学、化学、地质学及相关领域的科学研究。
尽管对室温超导的研究还没有获得完全成功,但某些超导的专门应用已经取得了巨大进展。这是基于如下的简单事实:必须权衡所获得的结果和所付出的代价,或者说不使用零的电阻,能否获得满意的结果。在某些科学研究中,需要使用高能粒子加速器或者强磁场,这只有靠超导材料才能实现。超导体目前的应用领域还有:磁悬浮列车,速度超过300mi/h;功率强大的电动机和发电机;为了获得大脑(或身体的其他部位)断层图像的核磁共振成像(MRI)系统;运行速度四倍于传统计算机的高速计算机;改善配电网系统,提高传输能力,减少电力损耗。

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