|
電阻前兩篇文章，討論了電容、電感，再加上電阻，就是電路設計中的三元老。電阻特性相對簡單，與交、直流電無關，只是在電路中產生阻力。
金屬導體的導電能力好，電阻小，是因為價電子少，價電子層較空，存在著通暢的電壓波傳導通路、及電流流經的通路，這也是金屬導體導電的物理機理。絕緣體難以導電，是因為價電子多、通道阻塞。
物質內導電通路是動態的，因為有價電子的存在、還有其運轉伴生的磁場對電壓波、對電流的運行形成阻礙 -電阻。自從人類發明了用電，導體內的電阻就損耗了大量的電能，人們不喜歡這個電阻，然而只要價電子運轉著、電阻就天然存在著，想要電阻為零幾乎是不可能。學界一直在努力找尋降低電阻的新技術、新材料。皇天不負有心人，電阻為零的超導終於出現了。
超導 1911年荷蘭著名物理學家卡梅林 •昂內斯首次將氦液化，獲得了 4.6K（-268.4℃）的低溫。當昂內斯將金屬汞置於低溫液氦中，發現汞的電阻急劇下降，直至消失，電阻為零！這樣的現象叫做超導，這在當時簡直是不可思議。其原理是什麼？是物理學面臨的新課題。
面對電阻為零的超導，物理學應該有個說道，於是，各種猜想學說應運而生：有說是在低溫條件下原子被凍僵了；有說產生了電子隧道；還有提出了唯象理論（建立在假定之上的理論），假定在極低溫條件下兩個電子凝聚、結成了庫伯對（BCS）……但是這電子如何凝聚、隧道怎樣產生、原子如何凍僵？難有交代。
超導原理超導與溫度密切相關，於是，首先應該在溫度、在熱學上找答案。在之前的博文《熱的本質是什麼 ——熱學（一）》中，談到物質核外電子的運轉速率隨著溫度變化，溫度高 ——核外電子速率高；溫度低 ——核外電子速率降低，那麼超導時候核外電子速率很低？
文章開頭討論到，電阻是價電子運轉及其伴生磁場所導致。超導電阻為零，說明價電子的阻礙消失，是不是溫度低 -價電子的速率降低、甚至是運轉停止？然而超導電流強大，說明價電子沒有停止，那麼，價電子是強大電流的參與者。於是超導的機理顯現端倪。
超導原理是：在很低的溫度下，物體的核外電子速率降低，達到臨界溫度，價電子運轉速率越來越低。核心習慣於高溫下的核外電子快速運轉，價和電子的運轉緩慢，造成了原子暫時缺失價電子的現象。核心就挪用相鄰核心的價電子，相鄰核心又挪用，所有的核心都向某一方向近鄰挪用，於是形成外層電子公用。這種核外層電子公用的狀態就是物質的超導態，核外層電子處於公用的狀態的物體就是超導體。
核心把公用的電子流當成自己所需求的核外電子，用核心的庫侖力（原子核吸引核外電子並且使電子繞核運轉的力）去輸運它，讓其在自己身邊流過。這樣，公用的電子雖然沒有繞核運轉，但每一暫態從核心身邊流經的電子較多，部分地滿足核心對電子的需求。
溫度降低，電子運轉緩慢，超導體內形成了較大的電子空位，電壓波暢通。價電子在電壓波作用下順勢移動，形成了核外電子公用的電子流 ——超導電流。核心把外來（公用）的電子流當成自己所需求的電子一部分，用核心的庫侖力去順勢輸運它，讓其在自己身邊流過，於是超導電流不僅不受到阻力，而且還獲得了一份來自核心的輸運力。在原子庫侖力的接力輸送下，電子暢通無阻，形成了電阻為零的超導現象。
正是因為超導電流獲得了核心的輸運力，所以它能像常態的核外電子那樣永恆不斷地運動，流速均衡、電阻為零，保持永恆的電流。超導發生是大量的電子群集流動。大量電子的定向運動，伴生很強的電磁波，伴生著極強的磁場。
超導的抗磁性實驗表明，第一類超導體（金屬物體）在超導時，外磁場從超導體內完全排出，表現出很強的抗磁性，又稱邁斯納效應。若外磁場太強，干擾電子不能形成整齊的公用定向運動，即使到了臨界低溫，超導也不能發生。超導時大量電子在核心邊均衡、暢通地流動，形成了核外電子的組成部分，外磁場會干擾超導電流的定向運動，所以超導電流伴生的磁場必須把外界的干擾磁場抵制在外，於是就形成了很強的抗磁性。同樣，內磁場強的物體也難以發生超導，鐵磁性或反鐵磁性金屬因其內部結構元的排列使得價磁力疊加，內磁場較強，能夠阻止電子被挪用而發生宏觀流動，因而不具有超導性能。而且磁性物質的微粒 ——雜質也會阻斷核外電子共用，影響超導發生。
超導的抗磁性（邁斯納效應）再一次為電子的運動伴生著電磁波提供了例證，超導現象是大自然向人們展示在低溫條件下的核外電子運動的新規律。
為解讀超導，物理學界呈現了各種理論，其中最著名的是 BCS，即庫伯對理論。儘管庫伯對理論獲得了諾貝爾獎，但它仍然是一個唯象理論，首先，兩個電子如何能緊密結成對？這直接違背同性相斥的自然原理。其次，超導體的電流運行的不是勻速直線，必定會有能量損失，損失的能量由哪裡補充？抗磁性是如何發生？所謂理論連核心的輸運力都沒有想到、沒有提到，說的再複雜，再冠冕堂皇 ,不符合自然能量守恆法則肯定不是事實。
庫伯對理論是以自由電子導電為基礎的理論，面對非金屬的第二類超導體，庫伯的理論完全無能為力。
第二類超導體大自然往往是戲劇性地展示其風采，後來發現的超導材料並不是傳統上認為是良導體的金屬及其合金，而是在常態下導電性能很差、甚至是絕緣材料的氧化物體系的陶瓷，這就是所謂第二類超導體。此類超導是多元素化合物，是由許多元素的結構元結合而成，電子空位只占其一隅（整體上是一條細縫），第二類超導體的超導電流伴生的磁力線不是很密，外磁場還是能從其他元素間穿過，所以邁斯納效應不是十分明顯，但是允許通過的外磁性不能太強，否則也會阻斷超導。這類超導體的臨界溫度較高，超導電流也較大。
元素的價電子數為 5、7時，不能夠均勻分佈在原子表面，形成價電子的再分層（如 5可分成 4，1）。因而價和運轉的環繞角不均勻、間隙不等，低溫條件下核心對最外層電子管束不力，首先在間隙大的遠端形成電子公用、形成超導。所以價電子數為 5、7的元素在常溫下通常是絕緣體，在低溫下卻較易形成超導。當原子品質較大，核外電子數多，層數也多，核心對外層電子管束不力，超導電子空位容易產生，所以較易形成超導，而且臨界溫度較高。一些絕緣體在低溫條件下價和電子降低速率，發生了外電子公用，形成了性能良好的超導體，絕緣體形成超導，為電子空位導電再次提供了例證。
超導現象的特徵，一是在低溫條件下價和電子降低速率，形成外電子公用；二是超導時公用電子的流動不僅不受到阻力，而且還獲得了一份來自核心的輸運力。背離了這兩大特徵，超導就無從談起。物質的超導特性與溫度密切相關，而且極有規律性。再一次為核外電子的運轉線路、速率決定物質的各種特性；電子運動的線路、速率的變化決定物質各種特性的論點提供了有力的例證。
超導現象總是在溫度極低的條件下才發生，於是科學開始了向低溫世界的大進軍。人們把超導開始發生時的溫度稱做臨界溫度。人為地製作低溫是很麻煩的，顯然，臨界溫度越高超導材料的應用就越方便，越有應用價值。於是世界各國的科研大軍又致力於研製高臨界溫度的超導材料，超導材料開始進入實用階段。
提高臨界溫度的方法世界各國都在致力於研製高臨界溫度的超導材料，臨界溫度每提高一度，全世界都為之振奮。然而近十年來，全世界對臨界溫度的研製沒有大的進展，還能不能進一步提高臨界溫度？是一個世界難題。依據對超導發生的原理的研討，有可能把超導的臨界溫度較大幅度的提高。超導現象是在極低溫條件下，核外電子速率降低，所發生的外電子挪用 -公用。這外電子挪用是形成超導的首要。我在靜電與電壓文章中談到：當物體帶有正電荷（缺少電子），各原子爭搶電子，並且產生靜電電壓。這裡，物體內電子總量缺少，爭搶就是挪用。那麼，我們人為讓超導體事先帶有正電荷，使挪用電荷的現象在常溫下就已經發生。隨著溫度降低，挪用導致公用現象也會提前到來，不用等到原來的臨界溫度，挪用 -公用核外電子 ——超導就提前、在較高溫度條件下就發生了。
這樣，讓超導體事先帶有正電荷，就可以把超導的臨界溫度大幅度的提高。超導發生之後爭搶歸於平順，事先所發生的靜電電壓也會下降。十年來，我把可能提高臨界溫度方法的資訊發佈，企盼國內實驗室率先運用取得成效，可惜，人微言輕沒有伯樂。讓超導體事先帶有正電荷提高臨界溫度的方法是科學預言，一旦實驗證實用此方法提高了臨界溫度，也將證實我們超導理論的正確、證實核外電子規律運轉理論的正確。
附記：在《環球科學》網站 (2012-06-28)看到《研究人員發現高溫超導材料 “量子臨界點 ”的證據》一文，文中談到：“現在，由日本、英國和美國的研究人員組成的團隊的最新研究發現，超導發生有一個量子臨界點，該發現將在解釋為什麼有些材料在較高溫度下成為超導體的漫漫長路上邁出重要一步。詳細研究發表在《科學》雜誌上。
這個團隊首次添加了一個摻雜因素以提供額外電荷。在置於極端低溫並添加了適量的摻雜因素時，該材料成為了超導體。”我關注的是該科研團隊的實驗，在他們的超導實驗中，首次添加了一個摻雜因素以提供額外電荷，這是人們在超導實驗中首次提供了額外電荷，提供了額外電荷導致超導現象就提前發生。這實驗與我 16年前的推論，讓超導體事先帶有正電荷，就可以把超導的臨界溫度大幅度提高，完全相符；這實驗證實了我早年的設想。
|
