生活中用半导体和超导体的例子

半导体：手机、电脑、电视机（所有的电子产品）、太阳能电池、LED灯。

超导体：磁悬浮列车。

超导体（英文名：superconductor），又称为超导材料，指在某一温度下，电阻为零的导体。在实验中，若导体电阻的测量值低于10-25Ω，可以认为电阻为零。

超导体不仅具有零电阻的特性，另一个重要特征是完全抗磁性。

人类最初发现超导体是在1911年，这一年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）等人发现，汞在极低的温度下，其电阻消失，呈超导状态。此后超导体的研究日趋深入，一方面，多种具有实用潜力的超导材料被发现，另一方面，对超导机理的研究也有一定进展。

超导体已经进行了一系列试验性应用，并且开展了一定的军事、商业应用，在通信领域可以作为光子晶体的缺陷材料。

超导体历史：

超导体的发现与低温研究密不可分。在18世纪，由于低温技术的限制，人们认为存在不能被液化的“永久气体”，如氢气、氦气等。1898年，英国物理学家杜瓦制得液氢。

1908年，荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的卡末林·昂内斯教授成功将最后一种“永久气体”——氦气液化，并通过降低液氦蒸汽压的方法，获得1.15~4.25K的低温。 低温研究的突破，为超导体的发现奠定了基础。

科学的任务要求我们不断地发现新事物并为它的应用开辟道路，不仅要发现新现象，还要揭示它的本质。超导体既不是单纯的理想导体，又不是单纯的理想抗磁体，那它到底是什么呢？

在探索超导体本质的科学实验过程中，随着它的性质一个又一个地被揭示出来，人们的认识也一层又一层地逐步深化。有这样一个实验现象引起了人们的极大兴趣：我们将超导体在转变过程中不和外界发生热量交换，将超导体放入一个绝热器中，给它加一个非常大的磁场，这样超导体在大磁场的作用下将转变为正常态，这个磁场叫超导体的临界磁场。这时候，转变为正常态的超导体，它的温度将下降；相反，还是在这个绝热器中，撤掉外加磁场，使它回到超导态，它的温度又将升高。如果我们设法保持温度不变，即在等温条件下转变，我们发现当外加磁场超过临界磁场，超导体由超导态转变为正常态时要吸收热量，反之则要放热。这种伴随着热量变化的状态改变，使人们想到了相变。

相变对我们大家来讲并不陌生。春天来了，和煦的阳光照着大地，冰雪消融，化作涓涓细流，汇入江河湖海。这是水从固相变成了液相，也叫固态变成了液态。根据日常的经验，我们知道，冰雪化成水时，要吸收许多热量，常常造成气温下降。“下雪不冷化雪冷，春天冻人不冻地”这一句俗语说的就是这个道理。固体受热变成液体，所吸收的热量叫熔解热。盛在敞口容器里的水会慢慢地枯竭，晾在院子里的湿衣服会逐渐变干，开水壶里的水越烧越少，这都是因为水变成水蒸气跑到空气中去了，这时水从液态就成了气态。手沾水后感到凉；水在沸腾时尽管在火炉上继续加热，但温度并不升高。这些现象都说明液体在汽化时要吸收热量，这个势量叫做汽化热。

自然界许多物质都是以固、液、气三种形态存在着的，并且这三种形态可以互相转变。物质的这种形态叫做相（或者态），不同形态之间的转变叫相变。伴随着相变而吸收或放出的热量叫物质的潜热。

对于有些物质来说，固态的存在形式往往有很多种。许多固体在不同的温度和压强下，内部的粒子（分子、原子等）有各自不同的规则排列，即各种不同的点阵结构，不同的点阵结构的固体也属于不同的相。因为固体从一种点阵结构变为另一种点阵结构的过程，也是一种相变，称为同素异晶转变。固体的这种相变，也伴随着热量的变化。

超导体由正常态到超导态的转变过程中，有潜热发生，因此也是一种相变，也就是说，超导态是固体的一种新的状态。处于超导态的超导体既不是简单的理想导体，也不是简单的理想抗磁体，它与导体、半导体和绝缘体有着本质的区别。当我们认识了超导态与正常态之间的新的相变过程之后，可以说，我们对超导体的研究已经更加深入了一步。由于近半个世纪许多物理学家的辛勤劳动成果的积累，揭开超导之谜的时机已经逐渐酝酿成熟，应该是瓜熟蒂落的时候了。

自然界中的所有相变，虽然彼此是不同的，各有它们自己的特殊性，但是在微观上看来，却都具有一个共同的地方，就是物质在发生相变的时候，都伴随着组成物体的微粒的分布秩序的变化。

用X光对超导体内部结构的检验表明，在正常态向超导态转变前后，物质的晶格结构并没有变化，超导态物质的原子和正常金属原子一样，整齐地排列在晶格上。事实上，超导体内部秩序的改变并不是发生在原子之间，而是发生在更小的微粒——电子之间。

超导体在正常态时，它的原子失去部分电子而以离子形式排列在晶格上，脱离原子的自由电子弥散在整个导体内部，形成了“电子气”，这时的电子是全然没有秩序的。进入超导态以后，自由电子不再是完全没有秩序的气体，而是同具有一定秩序的液体分子很相似了。其中一部分电子俩俩携起手来，结成了有秩序的电子对。随着温度的降低，结成电子对的电子越来越多，从而秩序越来越好。当温度无限接近于绝对零度的时候，所有可能结成对的电子都成为有秩序的电子对了。这时，电子就从漫无秩序变成井然有序了。所以超导态和正常态的最基本的区别就在于超导态中存在着有秩序的电子对，它的完全导电性，完全抗磁性，全都是由这种有秩序的电子对引起的。

电子都带有负电荷，同性电荷互相排斥，但超导体内的电子却能互相结合，形成电子对，这是为什么呢？原来在他们之间除了静电斥力之外，还有一种通过晶格振动的间接作用而引起的吸引力。间接作用是一种相当普遍的现象，在日常生活中我们经常会看到这样的情形：在一座铁索桥上，相隔一定的距离走着甲、乙两个人，当甲行走时，使铁索摇晃，因而乙也随着摇晃起来，这就是甲和乙之间的间接作用现象。在超导体内，组成晶格的离子，以一定的作用力相互作用着，每个离子的运动都是彼此关联的，它们的运动是作为不可分割的整体进行的集体运动。这种集体运动的结果，形成了一个以声速在晶格上传播的叫做格波的波动。当一个电子和晶格发生了作用，电子的动量发生了改变，晶格的运动也发生了改变；下一时刻另一个电子也可能和晶格发生了作用，恰好使晶格恢复了原来的格波运动。这样，通过电子—晶格作用，晶格的运动没有改变，两个电子的动量却发生了变化，这就是它们之间的间接作用。

通过大量的计算，人们得知，由晶格引起的这种间接作用是吸引力。很显然，这种作用越强，吸引力就越大。处于正常态的超导体，随着温度的降低，电子热运动逐渐减弱，当温度达到临界温度时，电子间的间接作用力大于静电斥力，电子间的总作用力是吸引力，这样电子便俩俩结合成为有秩序的电子对。物体由正常态转变为超导态时，温度越低，电子间的吸引力越强，结成的电子对就越多。反之，处于超导态的超导体，随着温度的升高，由于热激发，有些电子对吸收了一定能量，便拆开为单个电子。温度越高，拆开的单个电子越多，电子对就越少。当温度超过临界温度时，电子对全部拆开成为单个电子，超导电性消失，物体便处于正常态了。

就是这样，当一切问题在物理学家的手里一一得以解决之后，超导之谜也就大白于天下了！1972年，全世界许多人都以尊敬的目光注视着美国科学家巴丁在这一年再度获得诺贝尔奖金，成了世界上惟一的两次获得诺贝尔物理奖的人。这次，他是和两名年轻的物理学家库柏和徐瑞弗共同获得的。他们终于成功地用电子对阐明了物理学上长期的疑难问题——超导电现象，建立了微观超导理论，现在通常把他们所建立的超导微观理论称为BCS理论。有了科学的理论，也就找到了解决种种疑难问题的钥匙。

从历史学家的眼光看来，21世纪已经来临，而科学家们在回顾20世纪已度过的时光和展望未来时，对超导电的发现、发展感到欢欣鼓舞，一派春光在前。在短短的几十年里，数以千计的超导磁体在工作着。各种大规模的磁体正广泛应用在各个领域，装备着许多现代化的实验室，用于一系列的尖端科学研究。

超导发电机的诞生，使得发电机的输出功率一下子提高了几十倍、几百倍，使得电子技术的发展进入了一个崭新的历史阶段。磁流体发电已应用于军事上的大功率脉冲电源和舰艇电力推进的技术上。

利用超导磁体实现磁悬浮，使我们的列车像插上了神奇的翅膀，车一开动，很快就可以加速到时速50千米，跑过五六十米的一段距离之后，便在轨道上悬浮起来。当时速超过550千米时，前进的阻力只是空气的阻力了，如需要再进一步减少阻力，可以设想在真空管道中运行，时速可以提高到1600千米，可以想像，奔向21世纪的超导列车将是怎样的风驰电掣啊！据报道，日本国铁公司超导电磁悬浮实验车，于1979年底创造了时速504千米的记录。看来，这种给交通运输带来革命的新式交通工具的诞生，已不是遥远的事情了。

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