高二物理题求助
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发布时间：2022-05-15 09:32
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时间：2023-10-18 00:33
假设超导体内有一个电流，那么超导体两端的电压为0，这完全符合欧姆定律。无论超导体内的电流有多大，超导体两端的电压差始终为0，也就不存在你所顾虑的在超导体两端加一个电压，造成电流无限大的情况了。
在超导体中产生电流，必须使用外部设备，比如通过引线将电流导入超导体，或者通过在超导线圈上加变化的磁场。对于方式1，引线和电源本身是有内阻的，所以电流不可能无穷大。对于第二种方式，磁场的变化率也不可能无穷大，所以不存在电流无穷大的情况。
高中物理教材第二册（必修加选修）在介绍超导（p129）时，有这么一段话：“超导体电阻几乎为零，如果用超导体材料制成一个闭合线圈，在这个线圈里一旦激发出电流，不需要电源，电流就可以持续几十天之久而不减小.....”对于喜欢钻研的学生来说，这些话会让他们产生诸多疑惑：首先，线圈该加上一个怎样的电源？拿走电源时如果需断开电路，电路中不可能有电流的，更谈不上持续问题了；其次，无论多小的电压（电动势）加到电阻为零的用电器上时，由欧姆定律I=U/R知，产生的电流将是无穷大。但这可能吗？最后，没有电压（电动势）而有电流，这让人无法理解，书上不是说产生电流的条件是在导体的两端保持电压么？
要回答这些问题，必须综合运用电流、电磁感应甚至电磁波的知识。我们不妨在学完高中物理全部电学知识后，再加以说明。
大家都知道，若将金属环放在变化磁场中，则环内将产生感应电流，对于正常金属来说，当磁场去掉后，环内电流很快衰减为零，而对于超导环，情况却完全不同，下图为著名的持续电流实验。
将一超导圆环放在磁场中并冷却到临界温度以下，突然撤去磁场，则在超导坏中产生感生电流。实验发现，此电流可以持续存在，观察几年也未发现电流有明显变化。对此现象的解释是：由于线圈磁通量的变化，在环中产生感应电动势。尽管回路的电阻为零，但由于线圈的自感，在电流增大的同时，伴生的反电动势阻碍了电流的进一步无限地增大。这就说明了超导线圈中的电流可以很大却不能无限大。
设线圈的自感系数为L，环中原来的磁通量为Φ。，开始时环中无电流。在磁通量变化的过程中，由基尔霍夫定律：
－dΦ/dt = L di/dt
两边积分，得 －L I = Φ + c (c为任意常数)
由初始条件：Φ＝Φ。时 I = 0 ,c = -Φ。
所以 I = (Φ。-Φ)/L
即超导环中电流与磁通量变化成正比，与自感系数成反比。一旦线圈重新处于一恒定的磁场而磁通量不再变化，电流将稳定在某一值上而不再变化。
如何理解上面的结论呢？从能量转换和守恒的角度看，环中电流对应一定的能量。只有此形式能量向其他形式能量转换，电流才会减少。由于电阻为零，线圈的热功率为零，故不存在热损耗而使电流减小。那么，是否还有其它形式的能量损耗呢，例如电磁辐射？根据麦克斯韦理论，电磁波的能流密度S (Pointing矢量)＝E×H ，E、H分别电场强度和磁场强度。稳恒电流激发恒定磁场但恒定磁场不再激发出电场，即 E=0 ，S=0 ，线圈也不辐射电磁波。超导线圈将由于稳定的能量而保持稳定的电流。
电压并不是电流的必要条件，它只是在电阻中维持电流才是必须的。例如电磁振荡中，振荡电流最大时线圈电压也是为零。
应该指出的是，超导体只有在直流情况下才有零电阻现象，若电流随时间变化，将会有功率耗散。
超导线圈在电压为零或很小的情况下能保持强大的电流，这为我们储存电能提供了十分诱人的前景。据测算，如能在高温超导上取得突破，从而采用大规模的超导材料储存电能，我国电能将能节约1/3以上 ,这还不包括在输电环节上由于采用超导技术而节约的电能呢。
2.先看一个实验
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要实现超导体现象的条件之一是温度达到临界温度，在某种低温环境下，超导体的电阻率几乎为零，在磁场发生变化时，在超导体中产生电流，这个电流因超导体的电阻率为零而几乎不会减弱，从而能稳定下来。所以产生电流后不需要继续改变磁通量来继续产生新的感应电流。
奇妙的超导现象
电，在现代工农业生产、国防建设、科学研究和日常生活中，是须臾不可离开的。它是人类征服自然、改造自然的重要工具。发电厂把发出的电能通过导线输送到各个地方。电在导线中流动会受到阻碍作用，人们把导体阻碍电流的性质叫做电阻。电流克服电阻需要消耗能量，这部分能量以发热的形式，白白地损失掉了，有时热还会影响到电气设备中的元件以及周围的精密器械。如果没有电阻，那该多好啊！
低温下的奇迹
1911年的一天，荷兰莱顿大学的物理实验室里，昂尼斯教授正在专心致志地研究水银的低温性能。他先将水银冷却到—40℃，液体水银便凝固成一条水银线；然后，再在水银线中通以电流，并一步一步地降低水银的温度，当温度降低到—269.03℃，也就是绝对温度4.12K时，奇迹出现了：水银的电阻突然消失了。这意味着，电流在零电阻的导线中可以畅通无阻，不再消耗能量，如果电路是闭合的，电流就可以永无休止地流动下去。有人做过这样的实验：将一个铅环冷却到绝对温度7.25K以下，用磁铁在铅环中感应生成几百安培的电流。从1954年3月16日开始，在和外界隔绝的情况下，一直到1956年9月5日，铅环中的电流数值没有变化，仍在不停地循环流动。
人们把这种零电阻现象称为超导现象。凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。无论哪一种超导体，只有当温度降到一定数值时，才会发生超导现象。这个从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度。由于昂尼斯在超导方面的卓越贡献，他获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
此后，人们陆续发现近30种单质和几千种合金及化合物都具有超导现象，而且超导临界温度的纪录不断地被打破。例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K。1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视。1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物。1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物。1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅。
为什么超导体在临界温度以下会具有零电阻特性呢？我们知道，在常温下金属导体的原子因失去外层电子成为正离子。正离子按规则排列在晶格的结点上，作微小的振动。摆脱了束缚的自由电子无序地充满在正离子周围，形成所谓“电子云”。导体在一定电压作用下，自由电子作定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。随着温度不断地下降，降至超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”。由于晶格的振动作用，每两个电子必须“手挽手”地结合成“电子对”，温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，重新失去了超导性。这是目前许多科学家对超导现象作出的解释，他们把这种有秩序的电子对在超导体中特殊的运动状态，作为引起超导性的根本原因。但是，科学永无止境，高温超导体的发现又进一步引起人们不断去深入探索超导的奥秘。
电流畅通无阻
超导现象的最直接、最诱人的应用是用超导*造输电电缆。因为超导体的主要特性是零电阻，因而允许在较小截面的电缆上输送较大的电流，而且基本上不发热和不损耗能量。据估计，我国目前约有15％的电能损耗在输电线路上，每年损失的电能达到900多亿千瓦时。如果改用超导体输电，就能大大节约电能，缓解日益严重的能源紧张。
要进行超导输电，首先必须选择好制造电缆的超导体，其次要保证电缆处于超导临界温度以下的低温。为此，每条超导电缆必须放在对热量和电都能绝缘的冷却管里，管里盛放冷却介质，如液态氦等。冷却介质经过冷却泵站进行循环使用，这样便使整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电缆容量大25倍，可以传输几万安培的电流，电能消耗仅为所输送电能的万分之几。
自从发现高温超导陶瓷后，特别是1987年全世界掀起了“超导热”以后，人们把注意力转向高温超导陶瓷的研究和应用。研究实践表明，陶瓷超导体同样具有实用意义，预计在50年左右的时间内，有可能制备出工作在77K（—196.15℃）的温度下、临界电流密度超过每平方厘米10万安的实用化线材、缆材或带材。
超导体还可用于制造超导通信电缆。人们对通信电缆的主要要求是信号传递准确、迅速，容量大，重量轻，超导通信电缆正好能满足上述要求。因为超导通信电缆的电阻接近于零，允许用较小截面的电缆进行话路更多的通信，这样就可以降低超导通信电缆的自重，节约超导体材料，更主要的是超导通信电缆基本上没有信号的衰减，不论距离远近，接收方都能准确无误地收到发出方发出的信号，所以在线路上不必增设中间放大器，就能进行远距离通信。
用超导*造雷达天线、导航天线、通信天线和电视天线，可使天线的损耗电阻减小几个数量级，而天线辐射效率可增加几百倍或更多；还可减少各种干扰信号，使天线发射和接收信号的能力大大提高。尤其重要的是，这将改变传统天线庞大、笨重的外观，做到小型化、轻型化，以满足军事上或其他的特殊需要。
超导发电机
将超导体做成线圈，由于它的零电阻特性，故可在截面较小的线圈导线中，通以大电流，形成很强的磁场，这就是超导磁体。超导磁体的磁场强度可达15～20万高斯，重量却不超过数十千克，而用普通导线绕制成的电磁体要产生10万高斯的磁场已经非常困难。磁场强度为5万高斯的常规电磁体重达20吨，而达到同样的磁场强度，超导磁体的重量还不到1千克。超导磁体的另一个优点就是不产生热量，不消耗电能，只要通入一次电流就可以经久不息地流动下去，不需要再补充电能。超导磁体唯一需要的能量就是把环境温度维持在超导临界温度以下的能量。例如，美国造出一台10万高斯的常规电磁体，耗电达1600千瓦，每分钟还要用4500升水冷却，而日本制造的一台17.5万高斯的超导磁体，总共耗电才15千瓦，其中包括13千瓦的冷却消耗。
超导磁体正成功地应用在制造超导发电机上。超导发电机的构造与常规的同步发电机大致相同，一般都由定子和转子两部分组成。所不同的是，超导发电机的定子线圈和转子线圈都是用超导*成的。转子一般由水轮机、汽轮机、内燃机等发动机带动。当直流电通入超导转子线圈后，由于转子线圈处于零电阻状态，故电流很大，从而形成一个很强的旋转磁场。超导定子线圈在这个转动的磁场中不断切割磁力线，产生电压，输出功率极大的电能。常规的发电机最大输出功率很少超过150万千瓦，原因是转子线圈产生的磁场强度有限，而定子线圈中电流过大会导致严重发热，影响发电机正常工作。超导发电机比常规发电机提高输出功率20倍以上，可超过2000万千瓦。
此外，超导发电机还能减少能量消耗，节约原材料和降低成本。例如，一台6000千瓦的常规发电机重370吨，同样功率的超导发电机仅重40吨，可以降低成本50％左右。
超导磁体还能制造磁流体发电机。所谓磁流体发电，是将火力发电产生的高温气体变成等离子气体，再高速喷入发电通道，使发电通道中的磁力线受到切割，在等离子气体中产生感应电动势，把气体离子推向发电通道两侧的电极，在外回路中产生电流，热能就这样直接转化为电能。磁流体发电机如用超导磁体来产生发电通道中的强磁场，与常规发电机联合使用，可把热效率从20％～40％提高到50％～60％，节省1/4～1/3的燃料。此外，它还具有重量轻、体积小、启动快、不污染空气等优点。
空中列车
我们先来做一个有趣的实验：在一个铅环上放一个铅球，把它们的温度降低到超导临界温度（7.2K）以下，变成超导体。通过磁感应，使铅环中产生电流，这时铅球像着了魔似地飘然升起，当到达一定高度后便悬浮在铅环上方不动了。这是怎么回事呢？原来，铅环里通了电流，就在周围产生了磁场，磁场在铅球表面感应出一股电流，这股电流产生的磁场与铅环本身产生的磁场方向相反，使铅球受到向上的斥力，这斥力与铅球的重力平衡，铅球便悬浮在铅环的上方。超导体的这种排斥外界磁力线，使自身变成磁力线无法通过的物体的性质，称为完全抗磁性。人们正是利用超导体的完全抗磁性，研制成功了高速超导磁悬浮列车。
1966年，美国首先提出制造超导磁悬浮列车的设想。此后，美国自己，以及英国、日本、德国、瑞典等国家都进行了开发和研制。目前日本、德国的超导磁悬浮列车已投入运行，车速高达500千米/小时。乘坐这种超导磁悬浮列车，从上海到北京，只需要2小时48分钟。
那么，这种列车是怎样悬浮起来的呢？原来，在每节车厢的底部都安装了超导磁体，在列车行进的路面上埋有许多由闭合的矩形铝环组成的铝轨，在超导磁体的线圈中通入电流就会产生很强的磁场。列车开动后，超导磁体相对于铝环运动，在铝环里感应出一股很大的电流，并相应形成极强的磁场。铝环产生的磁场与车上超导磁体的磁场方向相反，相互排斥。也就是说，超导体的完全抗磁性，使车上的超导磁体受到地面铝环的向上托力。当车速大于每小时150千米时，托力大于列车自重，就使列车浮起，车速愈高，托力愈大。当列车停下时，由于铝环中没有感应电流，也就不能产生磁场，所以在开车启动和减速停车时有一段时间仍需用车轮在轨道上运行。
列车悬浮在空中飞奔，还存在空气的阻力。所以有人设想：让列车在抽成真空的隧道里行进，这样将能大幅度地提高车速。到那时，人类的高速飞行将由高空转入地下。
超导材料还可以用于制造威力无比的快速激光炮、具有人工智能的电子计算机、能明察秋毫的电子显微镜、先进医疗器械核磁共振诊断摄象机等等。也许，上述应用还远非超导材料的最重要应用。人们正开拓思路，扩大视野，不断学习和研究，促使超导技术向前发展。
高温超导的应用前景
高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。
超导现象的最直接、最诱人的应用是用超导*造输电电缆。因为超导体的主要特性是零电阻，因而较小截面的电缆上输送较大的电流，而且基本上不发热和不损耗能量。据估计，我国目前约有15%的电能损耗在输电线路上，每年损失的电能达到900多亿千瓦时。如果改用超导体输电，就能大大节约电能，缓解日益严重的能源紧张。
自从发现高温超导陶瓷后，特别是1987年全世界掀起了"超导热"以后，人们把注意力转向高温起导陶瓷的研究和应用。陶瓷超导体同样具有实用意义，预计在50年左右的时间内，有可能制备出工作在77K（－196.15。C）的温度下、临界电流密度超过每平方厘米10万安的实用化线材、缆材或带材。
超导体还可用于制造超导通信电缆。人们对通信电缆的主要要求是信号传递准确、迅速、容量大、重量轻，超导通信电缆正好能满足上述要求。
用超导*造雷达天线、导航天线、通信天线和电视天线，可使天线的损耗减小几个数量级，而天线辐射效率可增加几百倍或更多。
下面主要介绍一下超导体发电机和空中列车：
将超导体做成线圈，由于它的零电阻特性，故可在截面较小的线圈中，通知以大电流，形成很强的磁场，这就是超导磁体。超导磁体的磁场强度大，重量轻，不产生热量，不消耗电能。例如，美国造出一台10万高斯的常规电磁体，耗电达1600千瓦，每分钟还要用 4500升水冷却，而日本制造的一台17.5万高斯的超导磁体，总共耗电才15千瓦，其中包括13千瓦的冷却消耗。而超导磁体正成功地应用在制造超导发电机上。超导磁体还能制造磁流体发电机。所谓磁流体发电，是将火力发电产生的高温气体变成等离子气体，再高速喷入发电通道，使发电通道中的磁力线受到切割，在等离子气体中产生感应电动势，把气体离子推向发电通道两侧的电极，在外回路中产生电流，热能就这样直接转化为电能。
超导现象中的迈斯纳效应使人们想到可以用超导体来实现交通车辆的无摩擦运行，这将会大大提高列车的速度和高安静性能。
1966年美国首先提出制造超导磁悬浮列车的设想。此后美国自己，以及英国、日本、德国、瑞典等国家都进行了开发和研制。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安装一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。目前日本、德国的超导磁悬浮列车已投入运行，车速高达500千米/小时。乘坐这种超导磁悬浮列车，从上海到北京，只需要2小时48分。
超导材料还可以用于制造威力无比的快速激光炮、具有人工智能的电子计算机、能明察秋毫的电子显微镜、先进医疗器械核磁共振诊断摄象机等。
1987年的全国高考物理试题中就有一道与超导有关的题：
如图所示，有一固定的超导体圆环，在其右侧放着一条形磁铁，此时圆环中没有电流，当把磁铁向右移动时，由于电磁感应，在超导体圆环中产生了一定的电流。
A．这电流的方向如图中箭头所示，磁铁移走后，这电流很快消失；
B．这电流的方向如图中箭头所示，磁铁移走后，这电流继续保持；
C．这电流的方向如图中箭头方向相反，磁铁移走后，这电流很快消失；
D．这电流的方向如图中箭头方向相反，磁铁移走后，这电流继续维持。
分析：当把磁铁向右移动时，由于电磁感应，根据愣次定律可判断在超导体圆环中产生了与图示箭头方向相反的电流；由于圆环为超导体，没有能量损耗，故磁铁移走后，电流继续维持。选D答案。
高中物理练习题中还有涉及到高温超导的习题：
2000年底，我国宣布已研制成功一辆高温超导磁悬浮高速列车的模型车，该车的车速已达到每小时500千米，可载5人。如图所示就是磁悬浮的原理。图中的A是圆柱形磁铁，B是用高温超导材料制成的超导圆环。将超导圆环B水平放在磁铁A上，它就能在磁力的作用下悬浮在磁铁A上方的空中。下列说法准确的是：
A.在B放入磁场的过程中，B中将产生感应电流；当稳定后，感应电流消失；
B. 在B放入磁场的过程中，B中将产生感应电流；当稳定后，感应电流仍存在；
C.如A的N极朝上，B中感应电流的方向如图所示；
D. 如A的N极朝上，B中感应电流的方向如图所示的相反。
分析：在B放入磁场的过程中，其磁通量发生变化，即产生感应电流，对超导回路来说，只要其中有电流，由于超导材料对电流无阻碍作用，那么该电流将一直稳定地保持。超导圆环B能悬浮在空中，肯定受到磁铁对它的斥力，即超导圆环B中感应电流产生的磁场方向朝下，如A的N极朝上，感应电流的方向应为如图所示相反。选答案B、D。
超导现象是否很神奇？！期盼着高温超导能早日得以实用。
热心网友
时间：2023-10-18 00:34
超导体中没有磁通量， 在磁场中的闭合线圈才有磁通量。
不是因为有电阻才有电流的，只要有电压，有导体，有用电器就能有电流。
热心网友
时间：2023-10-18 00:34
热心网友
时间：2023-10-18 00:35
