科学效应和现象详解(2)

2019-01-27 11:16

热量通过导线,就相当于开关处于“打开”;当移开磁场的时候,超导性就得到恢复,电线的热阻快速增加;换句话说,相当于开关处子“关闭”。

E12. 超导性(conductivity)

超导体是指在温度和磁场都小于一定数值的条件下,许多导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零的性质。具有超导性的物体叫做“超导体”。1911年荷兰物理学家卡曼林一昂尼斯(1853—1926)首先发现汞在4.173K以下失去电阻的现象,并初次称之为“超导性”。现已知道,许多金属(如锢、锡、铝、铅、钽、铌等)、合金(如铌一锆、铌一钛等)和化合物(如Nb ?S n、N b ? A l等)都是可具有超导性的材料。物体从正常态过渡到超导态是一种相变,发生相变时的温度称为此超导体的“转变温度”(或“临界温度”)。现有的材料仅在很低的温度环境下才具有超导性,其中以Nb ?Ge薄膜的转变温度最高(23.2K)。1933年迈斯纳和奥森费耳德又共同发现金属处在超导态时其体内磁感应强度为零,即能把原来在其体内的磁场排挤出去,这个现象称之为迈斯纳效应。当磁场达到一定强度时,超导性就将破坏,这个磁场限值称为“临界磁场”。目前所发现的超导体有2类。第1类只有一个临界磁场(约几百高斯);第2类超导体有下临界磁场(Hc ?)和上临界磁场(Hc ? )。当外磁场达到Hc ?时,第2类超导体内出现正常态和超导态相互混合的状态,只有当磁场增大到Hc ?时,其体内的混合状态消失而转化为正常导体。现在已制备上临界磁场很高的超导材料(如Nb ? Sn的Hc ?达22特斯拉,Nb ? Al 0.75 Ge0.25

的Hc2达30特斯拉),用以制造产生强磁场的超导磁体。超导体的应用目前正逐步发展为先进技术,用在加速器、发电机、电缆、贮能器和交通运输设备直到计算机方面。1962年发现了超导隧道效应即约瑟夫逊效应,并已用于制造高精度的磁强计、电压标准、微波探测器等。近年来,中国、美国、日本在提高超导材料的转变温度上都取得了很大的进展。1987年研制出YBCuO体材料转变温度达到90~100K,零电阻温度达78K,也就是说过去必须在昂贵的液氦温度下才能获得超导性,而现在已能在廉价的液氮温度下获得。1988年又研制出CaSrBiCuO体和CaSrTlCuO体,使转变温度提高到114~115K。近二三年来,超导方面的工作正在突飞猛进。

高温超导:从超导现象发现之后,科学家一直寻求在较高温度下具有超导电性的材料,然而到1985年所能达到的最高超导临界温度也不过23K,所用材料是Nb3Ge。1986年4月美国IBM公司的缪勒(K.A . Mullex)和柏诺兹(J.G.BednorZ)博士宣布钡钢铜氧化物在35K时出现超导现象。1987年超导材料的研究出现了划时代的进展。先是年初华裔美籍科学家朱经武、吴茂昆宣布制成了转变温度为98K的钇钡铜氧超导材料。其后在1987年2月4日中科院的新闻发布会上宜布,物理所赵忠贤、陈立泉等13位科技人员制成了主要成分为钡、钇、钢、氧4种元素的钡基氧化物超导材料,其零电阻的温度为78.5K。几乎同一时期,日、苏等科学家也获得了类似的成功。这样,科学家们就获得了液氮温区的超导体,从而把人们认为到2000年才能实现的目标大大提前了。这一突破性的成果可能带来许多学科领域

的革命,它将对电子工业和仪器设备发生重大影响,并为实现电能超导输送、数字电子学革命、大功率电磁铁和新一代粒子加速器的制造等提供实际的可能。目前,中、美、日、俄等国家都正在大力开发高温超导体的研究工作。

光电导性:假设在辐射作用下,由于吸收光子能量而产生的自由电子及空穴的浓度增量分别为Δn及Δp,则在光照稳定情况下光电导体的电导率变为:

σ=e[(n0+Δn) μn+(p0+Δp)μp5] =e(n0un+p0up)+e(Δnun+Δpup) =σ0+Δσ

光电管:一种可以把光信号转变为电信号的器件。其应用在光电自动控制、有声电影还声、光纤通信等。

E13. 磁场(magnetic field)

在永磁体或电流周围所发生的力场,即凡是磁力所能达到的空间,或磁力作用的范围,叫做磁场;所以严格说来,磁场是没有一定界限的,只有强弱之分。与任何力场一样,磁场是能量的一种形式,它将一个物体的作用传递给另一个物体。磁场的存在表现在它的各个不同的作用中,最容易观察的是对场内所放置磁针的作用,力作用与磁针,使该针向一定方向旋转。自由旋转磁针在某一地方所处的方位表示磁场在该处的方向,即每一点的磁场方向都是朝着磁针的北极端所指的方向。如果我们想象有许许多多的小磁针,则这些小磁针将沿磁力线而排列,所谓的磁力线是在每一点的方向都与此点的磁场方向相同。

磁力线始于北极而终于南极,磁力线在磁极附近较密,故磁极附近的磁场最强。磁场的第2个作用便是对运动中的电荷所产生的力,此力恒与电荷的运动方向相垂直,与电荷的电量成正比。

磁场强度:表示磁场强弱的方向和矢量。由于磁场是电流或运动电荷引起的,而磁介质在磁场中发生的磁化对磁场也有影响。

磁力线:描述磁场分布情况的曲线。这些曲线上各点的切线方向。就是该点的磁场方向。曲线越密的地方表示磁场强,曲线稀的地方表示磁场弱。磁力线永远是闭合的曲线,永磁体的磁力线,可以认为是由N极开始,终止于S极。实际上永磁体的磁性起源于电子和原子核的运动,与电流的磁场没有本质上的区别,磁极只是一个抽象的概念,在考虑到永磁体内部的磁场时,磁力线仍然是闭合的。

E14. 磁弹性(magnetostriction)

磁弹性效应是指当弹性应力作用于铁磁材料时,铁磁体不但会产生弹性应变,还会产生磁致伸缩性质的应变,从而引起磁畴壁的位移,改变其自发磁化的方向。

E15. 磁力(magnetic force)

磁力是指磁场对电流、运动电荷和磁体的作用力。电流在磁场中所受的力由安培定律确定。运动电荷在磁场中所受的力就是洛伦磁力。但实际上磁体的磁性由分子电流所引起,所以磁极所受的磁力归根结底仍是磁场对电流的作用力。这时磁力作用的本质。

E16. 磁性材料(magnetic materials)

任何物质在外磁场中都能够或多或少地被磁化,只是磁化的程度

不同。根据物质在外磁场中表现出的特性,物质可粗略地分为3类:顺磁性物质、抗磁性物质,铁磁性物质。

根据分子电流假说,物质在磁场中应该表现出大体相似的特性,但在此告诉我们物质在外磁场中的特性差别很大。这反映了分子电流假说的局限性。实际上,各种物质的微观结构是有差异的,这种物质结构的差异性是物质磁性差异的原因。

我们把顺磁性物质和抗磁性物质称为弱磁性物质,把铁磁性物质称为强磁性物质。通常所说的磁性材料是指强磁性物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可以分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料,不容易去掉磁性的物质叫做硬磁性材料。一般来讲软磁材料剩磁较小,硬磁性材料剩磁较大。

磁性材料按化学成分分,常见的有2大类:金属磁性材料和铁氧体。铁氧体是以氧化铁为主要成分的磁性氧化物。软磁性材料的剩磁弱,而且容易去磁。适用于需要反复磁化的场合,可以用来制造半导体收音机的天线磁棒、录音机的磁头、电子计算机中的记忆元件,以及变压器、交流发电机、电磁铁和各种高频元件的铁芯等。常见的金属软磁性材料有软铁、硅钢等,常见的软磁铁氧体有锰锌铁氧体。硬磁性材料的剩磁强,而且不易退磁,适合制成永磁铁,应用在磁电式仪表、扬声器、话筒、永磁电机等电器设备中。常见的金属磁性材料有碳钢、钨钢等,常见的硬磁铁氧体为钡铁氧体和锯铁氧体。

E17.磁性液体(magnetic liquid)

磁性液体又称磁流体、铁磁流体或磁液,是由强磁性粒子、基液


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