超导体
超导体的电阻为什么会为零？全部
全部答案
2018-02-01 21:19:16
超导体最重要的特点是电流通过时电阻为零，有一些类型的金属（特别是钛、钒、铬、铁、镍），当将其置于特别低的温度下时，电流通过时的电阻就为零。在普通的导体中，大部分通过导体的电流由于电阻的原因变为热能，因而被“消耗”掉了。在超导体中，实际上没有阻力，这样，一旦接通电流，从理论上讲就永远不会中断。在一个用超导体制成的电磁体（一个线圈，电流从中通过时产生电磁场）所构成的电路中，从理论上讲只送入一次电流，就可以在电路内不停的流动，从而就能使电磁场持续不断。当然，实际上是存在损耗的，不可能实现这类“永动”，不能不去考虑必需的能源投入，以使超导体能保持其产生零电阻现象所需要的底温状态（即-269℃，比绝对零度高出4℃）。然而，从80年代初开始，人们发现了新材料。这种新材料能够在越来越接近常温的条件下形成超导体。为在这些物质的基础上获得超导体，各国都正在进行各种研究。这种材料同传统材料的区别在于它不需要冷却系统。
超导现象是1911年由荷兰人海克·卡默林·翁内斯（1853－1926）发现的。几十年中，没有人能做出解释。在理论上让人信服的解释出现在半个世纪之后，即在1957年由物理学家约翰·巴丁（晶体管发明者之一）、利昂·库珀和约翰施里弗宣布的“BCS理论”。电流是一种在金属离子，亦即带有多出的正电荷的原子周围流动的自由电子，电阻的产生是因为离子阻碍了电子的流动，而阻碍的原因又是由于原子本身的热振动以及它们在空间位置的不确定所造成的。在超导体中，电子一对一对结合构成了所谓的“库珀对”，它们中的每一对都以单个粒子的形式存在。这些粒子抱成一团流动，不顾及金属离子的阻力，好像是液体一样在流动。这样，事实上就中和了任何潜在的阻力因素。
在普通导体中会发生什么情况
上边这幅图使电传导观念形象化了，电传导就如同球体（电子）运动一样。它在斜面上流动（斜面相当于一个导体）障碍物代表金属离子不规则的网状结构，它们不允许电子自由流动。这就是形成电阻的原因。电子与全属离子相撞，输出了它的部分能量，这些能量又转化为热量。
超导体会发生什么变化
超导体中电子两个两个地成组聚集在所谓的“库珀对”里面，它们又表现为单一的粒子，这同煤气分子能够聚集成液体状是同样的道理。超导电子作为整体以液体的形态表现出来，尽管存在着由于金属离子摆动和金属离子网的不规则带来的阻碍，它还是能够自由流动而不受影响。全部
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　　本视频2023年3月11日发布于西瓜视频，观看量 13.4万
　　最近，室温超导可能成了整个科学界最火的新闻，甚至许多投资家都在恶补超导知识。那么，超导究竟是什么？它在生活中有什么用处？这次新闻中的室温超导是如何实现的？这个结果是真的还是假的？如果是真的，那么意味着什么？是不是我们的生活会发生天翻地覆的变化？下面，我们就来解读这些问题。
　　超导顾名思义是“超级导电”，实际意思是电阻变成0，即电流不衰减。平时见到的材料都有电阻，所以电流传输时会发热，也就是说电能白白浪费成热能了。即使是我国世界领先的特高压输电技术，也会有15%的电能变成热能。而如果电阻为0，就完全不会发热，电流不会衰减，这是一个巨大的好处。
特高压输电
　　超导的发现是相当出人意料的。二十世纪初，低温技术取得突破时，许多科学家在预测材料的电阻随温度下降会怎么变化。有人认为随温度下降，电阻应该一直下降，但到绝对零度即0K都一直保持有限值。有人认为正相反，即随温度下降电阻会上升。还有人认为，电阻会在0K时刚好降成0。那么实际结果是什么呢？
不同科学家对金属电阻温度关系的猜测与昂内斯的实测（罗会仟《超导“小时代”》）
　　1911年，荷兰科学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes，1853 -
1926）做了实验，发现水银即元素汞（Hg）在4.2K时发生一个突变，电阻从有限值突然降成0，在更低的温度下也一直为0。这种行为跟所有人预测的都不一样！大自然不按套路出牌啊！就这样，超导意外地闯入了科学领域。
汞在4.2K的电阻突然降为0（罗会仟《超导“小时代”》）
　　昂内斯（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1913/onnes/facts/）
　　你可能会问，这个电阻为0究竟是精确的0，还是一个很低的有限值？
　　从昂内斯以来，有很多科学家做了测量。结论是超导体的电阻率如果不为0，也比导电性最强的银低10个量级。所以目前看来，它就是精确的0。
几种常见金属的电阻率，超导体的电阻率比其中最低的还低10个量级（罗会仟《超导“小时代”》）
　　你可能还会问，所有的材料都会出现超导现象吗？
　　答案非常奇妙，并不是。例如铜、银、金，它们在常温下电阻就很低，但无论把温度降到多低，都不能把电阻降到0。或者说，它们即使有超导，转变温度也比目前人类能实现的温度更低。反过来，有些材料虽然是绝缘体，却可以通过掺杂或加压改造成导体，最终在温度低到一定程度时变成超导体。所以，一种材料究竟有没有超导，仍然是难以预测的。
　　超导既然有巨大的优势，那么它在日常生活中有没有广泛使用呢？
　　很遗憾，并没有。如果要去列举超导的应用，也能举出不少，例如医院的核磁共振仪器会用到超导磁体，我国在研制超导磁悬浮列车。但跟其他高科技例如激光相比，超导的应用就少得多了。最明显的，我们平常没有一件家电是超导的。输电线假如换成超导的，固然能减少热损耗，但保持低温的费用会比收益高得多，所以并没有大规模使用。
　　时速600+ 世界首台高温超导高速磁浮工程化样车下线（https://news.swjtu.edu.cn/shownews-21057.shtml）
超导材料的电学应用举例（罗会仟《超导“小时代”》，由中科院电工所肖立业提供）
　　在日常生活之外的科研与精密测量领域，超导有不少用处。例如我国的核聚变装置“东方超环”EAST，它的定位就是全世界第一台全超导的托卡马克。为什么要全超导呢？因为用磁场约束等离子体需要强大的电流，如果用常规导线就会严重发热，只有全部用超导导线才能持续工作。
超导磁体在科学研究中的应用（罗会仟《超导“小时代”》，来自中科院等离子所、欧洲核子中心、牛津仪器等）
　　又如超导量子干涉仪（SQUID），它是测量微弱磁场的精度最高的设备，可以分辨出地磁场的亿分之一甚至更低。
超导量子干涉仪（罗会仟《超导“小时代”》）
　　量子计算机是目前最火热的研究领域之一，它有若干条技术路线，其中最主流的之一就是超导。因此，超导的应用是处于有巨大潜力、但远未充分发挥的状态。
谷歌的超导量子计算机“悬铃木”
　　下面的问题是，这次引起轰动的室温超导究竟是怎么回事？
　　这是Rochester大学的Ranga
Dias教授报告的，说他们用一种Lu-N-H的材料（Lu是71号元素镥，一种稀土金属。镥-氮-氢这名字怎么听着像“卤蛋清”？），实现了最高可达21摄氏度（即294K）的超导，而且只需一万个大气压。294K虽然比科学家平时说的室温300K低一点，但已经非常接近了。真正有趣的是“只需”一万个大气压，——为什么会这么说呢？
2023年3月8日，Ranga Dias教授报告现场
　　在水银4.2K的超导发现之后，人们就在努力寻找转变温度更高的材料。一个重要的门槛是77K，即液氮的温度。在此之下只能用液氦或液氢来冷却，成本非常高，而在此之上就能用液氮冷却，实用性就大增了。在很长时间内都没有找到这样的材料，甚至还有理论预言超导转变温度不能超过40K，因此人们的热情逐渐冷下去了。然而，1986年，德国科学家Bednorz和瑞士科学家Müller发现了一类铜氧化物材料有超导，而且能突破这个极限。这掀起了一场全世界的热潮，纪录不断被突破，其中中国科学家朱经武、赵忠贤等人做出了很大的贡献，目前在这种体系中的最高纪录达到了165K。
　　1987年诺贝尔物理学奖授予Bednorz和Müller，因为他们在发现陶瓷材料超导中的重要突破（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/）
　　朱经武（http://www.casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/200906/t20090624_1808797.html）
赵忠贤和屠呦呦获得2016年度国家最高科学技术奖
　　非常有趣地，超过40K的超导被称为高温超导，或者即使没到40K、但结构跟那些超过的属于同一类的也叫做高温超导。所以超导是一个非常神奇的领域，在这里室温比高温要高！
　　假如你去问一个科学家，你已经实现了高温超导，请问你的下一个目标是什么？他可能回答你，是室温超导。正如那个中国乒乓球队的笑话：祝贺你获得世界冠军，请问你的下一个目标是什么？回答是：全国冠军。
　　近年来，继续提高超导转变温度的努力集中在加压上。因为根据某些理论，对含有轻元素（例如最轻的元素H）的物质加压强，有利于它实现超导。在这方面确实也取得了不少成果，例如2015年，德国科学家Drozdov和Eremets在S-H体系中发现了203K的超导，压强为220万个大气压，这是在中国吉林大学马琰铭研究组和崔田研究组的理论预测下实现的。在这条路径上，纪录已经刷新到了260K。
　　《203K高压下硫氰化物的传统超导》（https://www.nature.com/articles/nature14964）
各类超导体发现的年代和临界温度，插图为典型的材料结构（《中国科学》）
　　然而，所有这些实验都需要很高的压强，典型值是几百万个大气压，相当于地核中的压强甚至更高。在实验室中实现这样的压强都很有难度，更不用说工业应用了。因此，Dias这次说的一万个大气压就行，确实是一个巨大的突破，——假如它真实的话。
　　不过，Dias的信誉有点存疑，因为他已经搞过两次乌龙了。2017年，他和同事宣布在将近500万个大气压下制备出了金属氢，发表在《Science》上。然而当他们准备测量金属氢是否超导的时候，一个误操作把压着样品的高压设备金刚石对顶砧搞坏了，这所谓金属氢的样品消失得无影无踪。这是他们的说法，在许多人看来就很有造假的嫌疑。
《观测到变成金属氢的Wigner-Huntington转变》
　　https://www.science.org/doi/10.1126/science.aal1579
　　2020年，他和同事宣布在C-S-H体系中实现288K的室温超导，压强为267万个大气压，发表在《Nature》上。然而在许多人的质疑下，Nature杂志社在2022年把这篇文章撤了稿，虽然Dias等九位作者都不同意。
2022年，《Science》对288 K超导文章撤稿的报道
　　现在，他们又在《Nature》上发表文章。卫星已经放到第三次了，质疑自然也不会少。所以虽然投资界陷入狂热，学术界却还是很冷静的，无论如何要先验证了结果再说。
《一种氮掺杂镥氢化物中近常温常压超导的迹象》
　　（https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0）
Ranga Dias等人论文中给出的Lu-N-H超导电性证据：零电阻、抗磁性和比热跃变
　　当然，我们并不是说这次的结果必然是假的。最有趣的是，一万个大气压对实验室来说是相对容易实现的，所以全世界应该有很多个研究组已经在没日没夜地工作，尝试重复这个结果了。一切归根结底要靠事实说话。
　　下一个问题是，如果这个结果是真的，就会怎么样？我们的生活会发生天翻地覆的变化吗？
　　答案很奇妙。假如它是真的，那么它肯定对超导的研究会有巨大的推动。然而要反映到日常生活，却还有相当遥远的距离。
　　这是因为，超导的应用需要很多条件，远不只是转变温度这一个。在这里，人人都能看出一万个大气压对应用仍然是个不小的障碍。虽然这个压强对实验室来说不算高，但对应用来说就算高了。
　　此外，还有不那么显而易见的限制，如临界电流密度和临界磁场。超导体的电阻为0有个前提，就是电流不能太大，外加磁场也不能太大，否则它又变成普通物质了。有些材料看似有比较高的超导转变温度，但它的临界电流密度和临界磁场实在太低，因此仍然不堪大用。这就好比高考是要看多门课的总分，如果你偏科太严重，一门满分，其他鸭蛋，那你仍然考不上。
超导体的三个临界参数：临界温度、临界磁场、临界电流密度（罗会仟《超导“小时代”》）
　　即使温度、电流和磁场的性质都很好，问题还没完，这时我们又要考虑材料制备与加工的成本了。例如有些材料是很脆的陶瓷，加工起来就很困难。即使这些成本都压下去了，还有很多维度的问题要考虑，如它怕不怕空气？怕不怕水？尤其重要的，它有没有毒？一个材料要同时满足这么多要求，是多么困难啊！
　　所以一个奇妙的现状是，虽然我们已经发现了几万种超导材料，但真正最常用的还是传统的Nb-Ti合金，它的超导转变温度只有9 K！它之所以常用，是因为它的强度、韧性、可重复性都很好。此外还有Nb3Sn、Nb3Ge、Nb3Al等，超导转变温度也不超过24
K。这说明，温度并不是当前最重要的瓶颈，这个产业要发展起来实在太不容易了。
　　最后，关于超导的原理，我可以稍微说一下：非常复杂，复杂到现在都远没有透彻理解。可以确认的是，超导是一种宏观量子现象。也就是说，超导必须用量子力学才能理解，用经典力学是完全无法理解的。如果大家想了解量子力学，可以看我的科普书《量子信息简话》。
《量子信息简话》
　　我的朋友、中国科学院物理研究所研究员罗会仟博士是超导的一线研究者，2022年出版了一本科普书《超导“小时代”》，详细介绍了超导的前世、今生和未来。如果大家想深入了解超导，欢迎来看这本书。
《超导“小时代”》
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假设超导体内有一个电流,那么超导体两端的电压为0,这完全符合欧姆定律.无论超导体内的电流有多大,超导体两端的电压差始终为0,也就不存在你所顾虑的在超导体两端加一个电压,造成电流无限大的情况了.在超导体中产生电流,必须使用外部设备,比如通过引线将电流导入超导体,或者通过在超导线圈上加变化的磁场.对于方式1,引线和电源本身是有内阻的,所以电流不可能无穷大.对于第二种方式,磁场的变化率也不可能无穷大,所以不存在电流无穷大的情况.高中物理教材第二册（必修加选修）在介绍超导（p129）时,有这么一段话：“超导体电阻几乎为零,如果用超导体材料制成一个闭合线圈,在这个线圈里一旦激发出电流,不需要电源,电流就可以持续几十天之久而不减小.”对于喜欢钻研的学生来说,这些话会让他们产生诸多疑惑：首先,线圈该加上一个怎样的电源?拿走电源时如果需断开电路,电路中不可能有电流的,更谈不上持续问题了；其次,无论多小的电压（电动势）加到电阻为零的用电器上时,由欧姆定律I=U/R知,产生的电流将是无穷大.但这可能吗?最后,没有电压（电动势）而有电流,这让人无法理解,书上不是说产生电流的条件是在导体的两端保持电压么?要回答这些问题,必须综合运用电流、电磁感应甚至电磁波的知识.我们不妨在学完高中物理全部电学知识后,再加以说明.大家都知道,若将金属环放在变化磁场中,则环内将产生感应电流,对于正常金属来说,当磁场去掉后,环内电流很快衰减为零,而对于超导环,情况却完全不同,下图为著名的持续电流实验.将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下,突然撤去磁场,则在超导坏中产生感生电流.实验发现,此电流可以持续存在,观察几年也未发现电流有明显变化.对此现象的解释是：由于线圈磁通量的变化,在环中产生感应电动势.尽管回路的电阻为零,但由于线圈的自感,在电流增大的同时,伴生的反电动势阻碍了电流的进一步无限地增大.这就说明了超导线圈中的电流可以很大却不能无限大.设线圈的自感系数为L,环中原来的磁通量为Φ.,开始时环中无电流.在磁通量变化的过程中,由基尔霍夫定律：－dΦ/dt = L di/dt两边积分,得 －L I = Φ + c (c为任意常数)由初始条件：Φ＝Φ.时 I = 0 ,c = -Φ.所以 I = (Φ.-Φ)/L即超导环中电流与磁通量变化成正比,与自感系数成反比.一旦线圈重新处于一恒定的磁场而磁通量不再变化,电流将稳定在某一值上而不再变化.如何理解上面的结论呢?从能量转换和守恒的角度看,环中电流对应一定的能量.只有此形式能量向其他形式能量转换,电流才会减少.由于电阻为零,线圈的热功率为零,故不存在热损耗而使电流减小.那么,是否还有其它形式的能量损耗呢,例如电磁辐射?根据麦克斯韦理论,电磁波的能流密度S (Pointing矢量)＝E×H
,E、H分别电场强度和磁场强度.稳恒电流激发恒定磁场但恒定磁场不再激发出电场,即 E=0 ,S=0 ,线圈也不辐射电磁波.超导线圈将由于稳定的能量而保持稳定的电流.电压并不是电流的必要条件,它只是在电阻中维持电流才是必须的.例如电磁振荡中,振荡电流最大时线圈电压也是为零.应该指出的是,超导体只有在直流情况下才有零电阻现象,若电流随时间变化,将会有功率耗散.超导线圈在电压为零或很小的情况下能保持强大的电流,这为我们储存电能提供了十分诱人的前景.据测算,如能在高温超导上取得突破,从而采用大规模的超导材料储存电能,我国电能将能节约1/3以上 ,这还不包括在输电环节上由于采用超导技术而节约的电能呢.解析看不懂？免费查看同类题视频解析查看解答}