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[讨论]一段关于“欧姆定律和超导体”的对话
有一天，学生刘君与黄老师有一段关于“欧姆定律和超导体”的对话。
刘：黄老师，某些物质在低温条件下出现电阻为零的导电特性，这种现象称为超导现象，这种物质称为超导体。如果在超导体两端加1.5V的电压，根据欧姆定律计算，通过超导体的电流就是无穷大,对吗？
黄：对于你的问题，有两点必须明白。首先，如何在超导体两端加1.5V的电压？
刘：接一节干电池喔！
黄：好的，你将一金属导线两端连接在干电池的正负电极上，请问，金属导线两端的电压是1.5V吗？
刘：哦，金属导线的电阻几乎为零，两端的电压也几乎为零。那将超导体两端连接在干电池的正负电极上，超导体两端的电压会是零吗？
黄：用电压表测量超导体两端的电压，肯定不是零。
刘：那么，能根据测出的电压和超导体电阻为零，应用欧姆定律计算出通过它的电流为无穷大吗？
黄：这就是要明白的第二点，应用欧姆定律有什么条件？
刘：好像必须是纯电阻！老师曾特别提醒我们，在有电动机（非纯电阻用电器）的电路中，不能根据它的内阻r，两端的电压U，用欧姆定律I=U/r 计算通过电动机的电流，这里大部分电能要转化为机械能。
黄：很好！欧姆定律在初中阶段的适用范围，要注意以下三点：
(1)电阻R必须是纯电阻；(2)只适用于金属导体和液体;(3) 用于含电源在内的“部分电路”。
刘：这就是说，欧姆定律不适用于超导体！
黄：是的，就是气体导电也不适用，因为它们的导电原理不同，这些有待今后深入学习。
刘：黄老师，你能不能简单地给我讲讲超导体的导电原理。
黄：真是个好学的孩子。让我试试看！你知道金属导电的原理吗？
刘：知道，金属是靠其内部的自由电子定向流动导电的。
黄：对！我们知道，温度反映物质的分子热运动的激烈程度，超导现象不是由于物质的分子热运动停止引起的，因为如果分子热运动停止的话，电子就不会再流动了，也就不能导电了。
解释超导的原因有好几种理论，其中比较占主流的是超导微观理论（简称为BCS理论）。它的大致意思是，金属中的电子之间不光互相排斥，在一定的条件下，两个电子之间还可以互相吸引，形成电子对（叫做“库珀对”）。在较低的温度下，它们之间的结合能，可以脱离正电荷的束缚而自由流动，于是就形成了“超导体”，这些电子对可以平稳地通过由失去部分电子的原子所组成的通道，不会引起原子振动，即为超导现象。提出这项理论的物理学家巴丁、库珀和施里弗三人获得了1972年的诺贝尔物理学奖。但是，此理论无法解释高温超导材料的超导原理，因为其超导原理很复杂，目前科学家还没有很好的理论能解释此类物质的超导性。
刘：超导体的电阻真的为零吗？
黄：为了证实超导体的电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K的空间，利用电磁感应使环内激发起感应电流。结果发现，环内电流能持续下去，从1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在两年半的时间内的电流一直没有衰减，这说明圆环内的电能没有损失，当温度升到高于Tc时，圆环由超导状态变正常态，材料的电阻骤然增大，感应电流立刻消失，这就是著名的昂尼斯“持久电流”实验。零电阻效应是超导体的两个基本性质之一。
刘：那么，超导体的另一个基本性质是什么？
黄：超导体的另一个基本性质是抗磁性，又称迈斯纳(Meissner) 效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁感线完全被排斥在超导体外面。利用超导体的抗磁性可以实现磁悬浮。
刘：请问，是不是可以认为超导体对电流没有阻碍作用？
黄：那倒不能，完全超导的电路电流可以是很大的。 但是，超导电路中的电子做变速运动，这种加速运动的电荷在电路中运动，电流以某一规律增大，一定会以电磁波形式辐射出能量；超导体中的自由“电子对”应该有最大速度，这个速度接近光速；而且，在电阻渐小至超导状态时，电路中的另一些特性（如电感）将会成为阻碍电流增大的主要原因，所以超导体对电流一定有阻碍作用，超导体中一定有一个最大电流，不可能无限增大。
刘：哇噻！这么深奥！
黄：别怕，科学是无止境的，学习是循序渐进的，要学好基础知识，特别要提高理解和应用的能力。
刘：是的，今天我又一次明白了，学习物理不能死记硬背、生搬硬套。如果对欧姆定律有了深入理解和正确应用，就不会出现今天的错误想法了。
黄：是的，不过今后有什么问题，还是要问的。学问、学问，要学就有问题，要学就要问！
刘：好的，谢谢黄老师。
黄：不谢，拜拜！
刘：拜拜！
摘自：http://www.skwl.org/forum/list.asp?fid=41&page=10 |
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狗仔卡
发表于 2009-2-27 20:35:42
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