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超導原理

2021/02/16   維加斯新聞報
晏成和

    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，但每一瞬時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。
    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，電子空位只佔其一隅（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。
    當原子質量較大，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。超導現像是在極低溫條件下，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，使挪用電荷的現像在常溫下就已經發生。隨著溫度降低，挪用導致公用現像也會提前到來，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信息發布，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。