超导现象
金属的电阻随温度的升高而增大,当金属的温度降低时,它的电阻减小。1911年,荷兰物理学家昂内斯在测定水银在低温下的电阻值时发现,当温度降到-269℃左右时,水银的电阻变为零,这种现象叫超导现象。并不是所有物体都会发生超导现象,而能够发生超导现象的物质,也需要极低的温度才能使其电阻转变为零,物质电阻变为零的温度称为超导转变温度。以下是几种材料的超导转变温度:
物质 | 铝 | 铅 | 锡 | 水银 | 钨 |
超导转变温度/℃ | -271.76 | -265.97 | -269.43 | -268.99 | -273.14 |
目前,各国科学家还在继续研究超导转变温度更高的超导体材料,以将超导应用到日常生产和生活中去。
阅读上文,回答下列问题:
(1)金属的电阻随温度的降低而
(2)发生超导现象时,超导体电阻为
(3)-270℃可以使
(4)超导体
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1911年,荷兰科学家卡末林﹣昂内斯(Heike Kam erlingh﹣Onnes)用液氦冷却汞,当温度下降到4.2K(零下268.95℃)时,水银的电阻完全消失。当温度降低到足够低时,有些材料的电阻变为零,这即为超导现象。1933年,荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质﹣完全抗磁性,也称迈斯纳效应。完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时,体内的磁感应强度为零的现象。迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船,由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行,这将大大提高它们的速度和安静性,并有效减少机械磨损。另外利用超导悬浮还可制造无磨损轴承,将轴承转速提高到每分钟10万转以上。
发生超导现象时的温度称为临界温度。2014年12月,我国科学家发现了一种新的铁基超导材料锂铁氢氧铁硒化合物,其超导转变温度高达40K(零下233.15摄氏度)以上,这是世界上首次利用水热法发现铁硒类新型高温超导材料,堪称铁基超导研究的重大进展,为相关体系新超导体的探索提供了新的研究思路。同时,为探索铁基高温超导的内在物理机制提供了理想的材料体系。
(1)当温度降低到足够低时,有些材料的
(2)荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质
(3)利用超导材料输电,可最大限度地减少电能转化为
(4)假如白炽灯的灯丝、电动车内电动机的线圈、电饭锅及电熨斗内部电热丝都用超导材料制作,当用电器通电时,假设这些导体的电阻都变为零,下列说法正确的是
A.白炽灯仍能发光且更省电 B.电动车仍能行驶且效率更高
C.电饭锅仍能煮饭且效率更高 D.电熨斗仍能熨烫衣服且更省电。
人类实现御剑飞行不是梦
国外发明了一款飞行板,它的设计是基于传统的喷水板,是用强大的水射流把人抬到空中,该装备配备了以煤油为燃料的喷气发动机,脚底是一部小型的喷气式发动机的背部背负燃料以及控制系统与飞行器连接。从而摆脱了连接设备与地面的不必要的管道和电缆,飞行员用手握住控制面板就能没有束缚自由飞行。在不浪费太多燃油的情况下,飞行板上的空气动力可产生高达3000N的水平牵引力,在6分钟内以40m/s的速度飞行,今后,设计师们希望在时速、续航能力和负载方面进行改进,这样的飞行器你是否也想拥有一台呢?
(1)文中飞行板中用的是喷气式发动机的工作原理,跟图2中的原理是类似的
(2)当人和设备的总重为800N,使用文中飞行板在空中匀速上升时,向上的举力
(3)超导体小晶体在磁铁上方悬浮飞行时,云雾一直围绕着小晶体,这是因为在小晶体的周围,空气中的水蒸气
(4)超导是指导电材料在温度降到足够低时,电阻为
石墨烯——改变世界的神奇新材料
一片碳,看似普通,厚度为单个原子,却使两位科学家获得诺贝尔奖。这种全新材料名为“石墨烯”,密度仅为3mg/cm3(空气的密度为1.29kg/m3),石墨烯是目前世上最薄、最坚硬的纳米材料,作为电导体,它有着和铜一样出色的导电性;作为热导体,它比目前任何其他材料的导热效果都好,而且它几乎是完全透明的。利用石墨烯,科学家能够研发一系列具有特殊性质的新材料。比如,石墨烯晶体管的传输速度远远超过目前的硅晶体管,因此有希望应用于全新超级计算机的研发;石墨烯还可以用于制造触摸屏、发光板,甚至太阳能电池,如果和其他材料混合,石墨烯还可用于制造更耐热、更结实的电导体,从而使新材料更薄、更轻、更富有弹性,从柔性电子产品到智能服装,从超轻型飞机材料到防弹衣,甚至未来的太空电梯都可以以石墨烯为原料。因此,其应用前景十分广阔。(1)这种新材料
(2)最近研究人员通过引入由多层石墨烯制成的交替散热通道,解决了在交通信号灯和电动汽车中使用半导体材料散热的难题,这是利用石墨烯的
A.导热性好 B.硬度大 C.透光性好 D.导电性强
(3)根据石墨烯的性质,你认为石墨烯不适合用来制成
A.输电线 B.冲击钻的钻头 C.隔热保温材料 D.电饭锅的锅胆
(4)科学家造出“石墨烯”的密度比空气的密度
(5)现有一个用“石墨烯”制成的球体,其中是空心的,经测量其体积为5dm3,质量为12g,则其空心部分的体积为
轰动国际学界石墨烯“魔角”让石墨烯变超导体世界顶尖学术期刊、英国《自然》杂志(Nature )在北京时间 2018 年 12 月 19 日零时发布了 2018 年度影响世界的十大科学人物,发现石墨烯超导角度的“神童”曹原出现在榜单的第一位。
2018 年 3 月 5 日,《自然》背靠背发表了两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文。这名中科大少年班的毕业生、美国麻省理工学院的博士生发现,当两层平行石墨烯堆成约 1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应。这一发现轰动国际学界,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。
2014年,当曹原加入实验室的时候,美国麻省理工学院的 PabloJarillo-Herrero 课题组就已经在用不同的角度堆叠、旋转碳原子层了。曹原的工作是研究垒在一起的两层石墨烯彼此间轻微偏转会发生什么,按照理论预测,轻微的偏转就会让材料行为产生剧变。许多物理学家对此心存怀疑。但曹原着手搭成微妙偏转的石墨烯层后,他发现了奇怪的东西,置于一个小型电场,温度降至绝对零度以上 1.7°C,通常会导电的石墨烯成为了绝缘体。这就够令人吃惊了。“我们知道它会在学界引起轰动。”曹原说道。不过,更好的还在后面:稍微调整一下电场,偏转的石墨烯层就变成了超导体,电流可无阻流动。
要使平行的两层石墨烯旋转成约 1.1°的“魔角”,需要一些试验,但曹原很快就能可靠地完成。“他的实验技巧至关重要。”Jarillo-Herrero 说道。曹原开创了一种撕出单层石墨烯的方法,以制出具有相同角度的双层堆叠。接着微调校准,他还调整了低温系统的温度,使超导性得以更清晰地显现。
在超导方面的应用,目前大部分还只是处于研究实验中,并不能广泛的运用于现实。当然,也并不是说就没有超导的应用,超导应用目前最成功的是超导磁体和超导微波器件等,但也是极为有限。医院里的核磁共振成像大都采用超导磁体,其磁场一直存在线圈 中,所以进入检测室需要摘除所有金属物件。
基础科学研究采用的稳恒强磁场、大型加速器磁体、高能粒子探测器以及工业中采用 的磁力选矿和污水处理等,也利用了场强高的超导磁体。发展更高分辨率的核磁共振、磁约束的人工可控核聚变、超级粒子对撞机等,都必须依赖强度更高的超导磁体,也是未来 技术的可能突破口。超导微波器件在一些军事和民用领域都已经走向成熟甚至是商业化 了,为信息爆炸的今天提供了非常有效的通讯保障。
当然,超导的应用也不仅仅只有这些,超导在磁悬浮列车、量子应用、可控核聚变等 重要领域都有着巨大的发展空间。
(1)当两层平行石墨烯堆成约 1.1°的微妙角度,就会产生神奇的
(2)置于一个小型电场,温度降至绝对零度以上1.7°C,通常会导电的石墨烯成为了
(3)去医院做核磁共振需要摘除所有金属物件的原因是
稳态强磁场实验装置
2022年8月12日,位于中科院合肥物质科学研究院的国家重大科技基础设施“稳态强磁场实验装置”实现重大突破,创造场强45.22万高斯的稳态强磁场,超越已保持了23年之久的45万高斯稳态强磁场世界纪录。地球磁场约等于0.5高斯,新纪录相当于地球磁场的90多万倍。强磁场是探索科学前沿的一种极端实验条件,在发现新现象、催生新技术方面具有不可替代的作用。
想要人为创造稳态强磁场,势必要创造稳态强电流,科学家们经数年钻研,终于取得技术突破。如图甲是此强磁场实验装置的外观,其内部(如图乙)由外7层超导线圈、内2层水冷线圈构成,相当于多个超大型通电螺线管嵌套在一起。其中超导线圈由铌三锡超导股线绕成,这种超导股线加工复杂——需将液氦从股线中流过,使得股线内的温度降至,以确保股线处于零电阻的超导工作状态,而超导股线在电流通过时不会发热。内层的水冷线圈有一定的电阻,经过缜密设计,在尽可能保证大电流通过线圈的同时将高压冷却水通过线圈,快速“带走热量”,防止导线过热,以维持电流稳定。
线圈的中心部分就是做实验的内孔,科学家把待测物质通过探头放置于此进行研究。借助其他观测仪器,如扫描隧道显微镜,我们就可以了解物质在强磁场环境下发生的奇妙变化。
请根据上述材料,回答下列问题:
(1)稳态强磁场实验装置产生磁场的基本原理是
A.通电导线周围存在磁场
B.通电导线在磁场中受到力的作用
C.电磁感应现象
(2)当内层水冷线圈中的电流增大时,其单位时间产生的热量会
(3)超导线圈相比于普通金属导线线圈的优势是
(4)为进一步使实验装置产生的磁场更强,请你提出一条建议
人类实现御剑飞行不是梦
国外发明了一款飞行板,它的设计是基于传统的喷水板,是用强大的水射流把人抬到空中,该装备配备了以煤油为燃料的喷气发动机,脚底是一部小型的喷气式发动机的背部背负燃料以及控制系统与飞行器连接,从而摆脱了连接设备与地面的不必要的管道和电缆,飞行员用手握住控制面板就能没有束缚自由飞行。在不浪费太多燃油的情况下,飞行板上的空气动力可产生高达3000N的水平牵引力,在6分钟内以40m/s的速度飞行,今后,设计师们希望在时速、续航能力和负载方面进行改进,这样的飞行器你是否也想拥有一台呢?
以色列的科学家向人们展示了一项研究,使用量子悬浮技术可以使物体悬浮起来,一个超导体小晶片,冷却到-185℃,就能悬浮在一排磁铁上方,无论磁铁总面积大小,小晶片总能在与磁铁平行的上方、下方甚至侧面悬浮。如果将一个“量子超导体”放在磁场中,它会在磁场中保持原有位置不变;如果磁场是均匀的,那么当用力给这个“量子超导体”一个初速度的时候,它将在均匀磁场中一直按这个速度运动下去。如果这样的技术改造成熟后,人类御剑飞行就不再是个梦了。
(1)文中飞行板中用的是喷气式发动机的工作原理,跟图中
(2)当人和设备的总重为,使用文中飞行板在空中匀速上升时,向上的举力
(3)超导体小晶体在磁铁上方悬浮飞行时,云雾一直围绕着小晶体,这是因为在小晶体的周围,空气中的水蒸气
(4)超导是指导电材料在温度降到足够低时,电阻为