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超导原理

2021年02月16日   维加斯新闻报
晏成和

    电阻 前两篇文章,讨论了电容、电感,再加上电阻,就是电路设计中的三元老。电阻特性相对简单,与交、直流电无关,只是在电路中产生阻力。
    金属导体的导电能力好,电阻小,是因为价电子少,价电子层较空,存在着通畅的电压波传导通路、及电流流经的通路,这也是金属导体导电的物理机理。绝缘体难以导电,是因为价电子多、通道阻塞。
    物质内导电通路是动态的,因为有价电子的存在、还有其运转伴生的磁场对电压波、对电流的运行形成阻碍-电阻。自从人类发明了用电,导体内的电阻就损耗了大量的电能,人们不喜欢这个电阻,然而只要价电子运转着、电阻就天然存在着,想要电阻为零几乎是不可能。学界一直在努力找寻降低电阻的新技术、新材料。皇天不负有心人,电阻为零的超导终于出现了。
    超导 1911年荷兰著名物理学家卡梅林·昂内斯首次将氦液化,获得了4.6K(-268.4℃)的低温。当昂内斯将金属汞置于低温液氦中,发现汞的电阻急剧下降,直至消失,电阻为零!这样的现象叫做超导,这在当时简直是不可思议。其原理是什么?是物理学面临的新课题。
    面对电阻为零的超导,物理学应该有个说道,于是,各种猜想学说应运而生:有说是在低温条件下原子被冻僵了;有说产生了电子隧道;还有提出了唯象理论(建立在假定之上的理论),假定在极低温条件下两个电子凝聚、结成了库伯对(BCS)……但是这电子如何凝聚、隧道怎样产生、原子如何冻僵?难有交代。
    超导原理 超导与温度密切相关,于是,首先应该在温度、在热学上找答案。在之前的博文《热的本质是什么——热学(一)》中,谈到物质核外电子的运转速率随着温度变化,温度高——核外电子速率高;温度低——核外电子速率降低,那么超导时候核外电子速率很低?
    文章开头讨论到,电阻是价电子运转及其伴生磁场所导致。超导电阻为零,说明价电子的阻碍消失,是不是温度低-价电子的速率降低、甚至是运转停止?然而超导电流强大,说明价电子没有停止,那么,价电子是强大电流的参与者。于是超导的机理显现端倪。
    超导原理是:在很低的温度下,物体的核外电子速率降低,达到临界温度,价电子运转速率越来越低。核心习惯于高温下的核外电子快速运转,价和电子的运转缓慢,造成了原子暂时缺失价电子的现象。核心就挪用相邻核心的价电子,相邻核心又挪用,所有的核心都向某一方向近邻挪用,于是形成外层电子公用。这种核外层电子公用的状态就是物质的超导态,核外层电子处于公用的状态的物体就是超导体。
    核心把公用的电子流当成自己所需求的核外电子,用核心的库仑力(原子核吸引核外电子并且使电子绕核运转的力)去输运它,让其在自己身边流过。这样,公用的电子虽然没有绕核运转,但每一瞬时从核心身边流经的电子较多,部分地满足核心对电子的需求。
    温度降低,电子运转缓慢,超导体内形成了较大的电子空位,电压波畅通。价电子在电压波作用下顺势移动,形成了核外电子公用的电子流——超导电流。核心把外来(公用)的电子流当成自己所需求的电子一部分,用核心的库仑力去顺势输运它,让其在自己身边流过,于是超导电流不仅不受到阻力,而且还获得了一份来自核心的输运力。在原子库仑力的接力输送下,电子畅通无阻,形成了电阻为零的超导现象。
    正是因为超导电流获得了核心的输运力,所以它能像常态的核外电子那样永恒不断地运动,流速均衡、电阻为零,保持永恒的电流。超导发生是大量的电子群集流动。大量电子的定向运动,伴生很强的电磁波,伴生着极强的磁场。
    超导的抗磁性 实验表明,第一类超导体(金属物体)在超导时,外磁场从超导体内完全排出,表现出很强的抗磁性,又称迈斯纳效应。若外磁场太强,干扰电子不能形成整齐的公用定向运动,即使到了临界低温,超导也不能发生。
    超导时大量电子在核心边均衡、畅通地流动,形成了核外电子的组成部分,外磁场会干扰超导电流的定向运动,所以超导电流伴生的磁场必须把外界的干扰磁场抵制在外,于是就形成了很强的抗磁性。
    同样,内磁场强的物体也难以发生超导,铁磁性或反铁磁性金属因其内部结构元的排列使得价磁力叠加,内磁场较强,能够阻止电子被挪用而发生宏观流动,因而不具有超导性能。而且磁性物质的微粒——杂质也会阻断核外电子共用,影响超导发生。
    第二类超导体大自然往往是戏剧性地展示其风采,后来发现的超导材料并不是传统上认为是良导体的金属及其合金,而是在常态下导电性能很差、甚至是绝缘材料的氧化物体系的陶瓷,这就是所谓第二类超导体。
    此类超导是多元素化合物,是由许多元素的结构元结合而成,电子空位只占其一隅(整体上是一条细缝),第二类超导体的超导电流伴生的磁力线不是很密,外磁场还是能从其他元素间穿过,所以迈斯纳效应不是十分明显,但是允许通过的外磁性不能太强,否则也会阻断超导。这类超导体的临界温度较高,超导电流也较大。
    元素的价电子数为5、7时,不能够均匀分布在原子表面,形成价电子的再分层(如5可分成4,1)。因而价和运转的环绕角不均匀、间隙不等,低温条件下核心对最外层电子管束不力,首先在间隙大的远端形成电子公用、形成超导。所以价电子数为5、7的元素在常温下通常是绝缘体,在低温下却较易形成超导。
    当原子质量较大,核外电子数多,层数也多,核心对外层电子管束不力,超导电子空位容易产生,所以较易形成超导,而且临界温度较高。
    一些绝缘体在低温条件下价和电子降低速率,发生了外电子公用,形成了性能良好的超导体,绝缘体形成超导,为电子空位导电再次提供了例证。
    超导现象的特征,一是在低温条件下价和电子降低速率,形成外电子公用;二是超导时公用电子的流动不仅不受到阻力,而且还获得了一份来自核心的输运力。背离了这两大特征,超导就无从谈起。
    物质的超导特性与温度密切相关,而且极有规律性。再一次为核外电子的运转线路、速率决定物质的各种特性;电子运动的线路、速率的变化决定物质各种特性的论点提供了有力的例证。
    超导现象总是在温度极低的条件下才发生,于是科学开始了向低温世界的大进军。人们把超导开始发生时的温度称做临界温度。人为地制作低温是很麻烦的,显然,临界温度越高超导材料的应用就越方便,越有应用价值。于是世界各国的科研大军又致力于研制高临界温度的超导材料,超导材料开始进入实用阶段。
    提高临界温度的方法 世界各国都在致力于研制高临界温度的超导材料,临界温度每提高一度,全世界都为之振奋。然而近十年来,全世界对临界温度的研制没有大的进展,还能不能进一步提高临界温度?是一个世界难题。
    依据对超导发生的原理的研讨,有可能把超导的临界温度较大幅度的提高。超导现像是在极低温条件下,核外电子速率降低,所发生的外电子挪用-公用。这外电子挪用是形成超导的首要。
    我在静电与电压文章中谈到:当物体带有正电荷(缺少电子),各原子争抢电子,并且产生静电电压。这里,物体内电子总量缺少,争抢就是挪用。那么,我们人为让超导体事先带有正电荷,使挪用电荷的现像在常温下就已经发生。随着温度降低,挪用导致公用现像也会提前到来,不用等到原来的临界温度,挪用-公用核外电子——超导就提前、在较高温度条件下就发生了。
    这样,让超导体事先带有正电荷,就可以把超导的临界温度大幅度的提高。
    超导发生之后争抢归于平顺,事先所发生的静电电压也会下降。十年来,我把可能提高临界温度方法的信息发布,企盼国内实验室率先运用取得成效,可惜,人微言轻没有伯乐。
    让超导体事先带有正电荷提高临界温度的方法是科学预言,一旦实验证实用此方法提高了临界温度,也将证实我们超导理论的正确、证实核外电子规律运转理论的正确。

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