中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 第二章稳恒电流
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 §2-1物质的电性质 、物质电性质分类 1.导体、绝缘体与半导体 各种物质电性质的不同,早在18世纪初就为人们所注意了1729年,英国人格雷(Stephen Gray)就发现金属和丝绸 的电性质不同,前者接触带电体时能很快把电荷转移或传导到别的地方,而后者却不能。 由于不同原子内部的电子数目和原子核内的情况各不相同,由不同原子聚集在一起构成的不同物质的电性质也各不相 同,甚至有的差别很大。即使是由相同原子构成的物质,由于所处的环境条件(如温度、压强等)不同,电性质也有差异。 电阻率(用符号p表示)是可以定量反映物质传导电荷能力的物理量,在数值上等于单位横截面、单位长度的物质电阻。 物质的p越小,其传移和传导电荷的能力越强。 通常人们把物质分为3类: (1)导体 转移和传导电荷能力很强的物质,或者说电荷很容易在其中移动的物质;导体的电阻率约在102m~10m之间。 导体有固态物质,如金属、合金、石墨、人体、地等;有液态物质,如电解液,即酸、碱、盐的水溶液等;也有气体 物质,如各种电离气体.此外,在导体中还有等离子体和超导体。 (2)绝缘体 转移和传导电荷能力很差的物质,即电荷在其中很难移动的物质;绝缘体的电阻率一般为10m~10m。 绝缘体同样有固态物质,如玻璃、橡胶、塑料、瓷器、云母、纸等。 有液态物质,如各种油; 也有气态物质,如未电离的各种气体。 2
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 (3)半导体 介于这两者之间的物质;半导体的电阻率约为109m~10m。 半导体物质有硅、锗、蹄以及一些金属化合物等。 2.等离子体 (1)什么是等离子体 等离子体是部分或完全电离的气体,由大量自由电子和正离子以及中性原子、分子组成。等离子体在宏观上是近似电 中性的,即从宏观上说,所含的正电荷与负电荷几乎处处相等。 图2-1美国普林斯顿大学PP托克马克中的等离子体 (2)离子体如何形成 任何物质由于温度不同将处于不同的聚集状态。固体加温熔解成为液体,液体加温沸腾成为气体。温到几万度、几十
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 万度甚至更高的温度,则不仅分子或原子的运动十分剧烈,而且原子中的电子也己具有相当大的动能,足以摆脱原子核的 缚成为自由电子,于是原子电离,成为自由电子和正离子。这种部分电离(带电粒子的数量超过千分之一)或完全电离的气 体,就是等离子体。 (3)物质的第四态 从物质聚集态的顺序来说,等离子体居于固体、液体、气体之后,位列第四,所以等离子体又称为物质的第四态。所 谓物质的不同聚集态,从微观上说,就是构成物质的微观粒子排列的有序程度不同。 固体(晶体)中的粒子规则地周期性地排列,远程有序,使固体具有确定的形状和体积。液体分子在小范围内规则排 列,近程有序,使液体具有一定体积且不易压缩,但又易流动或相对移动从而无一定形状。气体分子作无规则热运动,使气 体既无固定形状和体积,又易流动和压缩。 在等离子体中,不仅未被电离的中性分子自由地热运动,而且电离产生的电子和正离子也都自由地热运动,所以等离 子体是有序度最差的聚集态。 物质各种聚集态在一定条件下的转化,就是物质有序度的改变,从固体到液体再到气体和等离子体,有序度逐步被破 坏。有序度对物质的性质有重大影响,区分固体、液体、气体的原因正在于此。把部分或完全电离的气体单独命名为等离子 体,也正是因为等离子体与气体的性质很不相同 (4)等离子体间的力 普通的气体由中性原子、分子组成,其间的相互作用是分子力,这是一种短程相互作用,只在分子相距很近(即碰撞) 时才需要考虑,相距较远即可忽略,由此,在气体不太稠密时主要是二体碰撞,多体碰撞极少。 在等离子体中,中性原子分子之间的作用已退居次要地位,整个系统受带电粒子的运动支配。带电粒子之间的相互作
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 用主要是 Coulomb力,这是一种与距离平方成反比的长程力,每个带电粒子往往同时与许多带电粒子发生作用(集体相互作 用),并且带电粒子的运动还将受到外加电磁场的强烈影响。 从电性质上看,由于它主要是由可自由运动的电子和正离子组成,所以是导电性能极好的良导体。这种由大量电子和 正离子组成的物质系统宏观上是电中性的,任何局部正电荷或负电荷的偶然集中都将会被附近移来的相反电性电荷立即中 和,从而恢复电中性。所有这些,都决定了等离子体具有一系列区别于气体的独特性质和研究方法 (5)等离子体是字宙物质存在的主要形态 在地球上,常见的是气体、液体和固体,等离子体很少见,这是因为地球表面的温度太低,通常并不具备产生等离子 体的条件。然而,在特定的环境和条件下,地球上也能产生等离子体。例如,在两极上空,由于太阳活动和地球磁场的作用, 高空大气会电离形成稀薄等离子体,美丽的极光就是两极上空等离子体的辐射产生的。例如,在雷雨季节,云层各部分之间 或云层与地面之间的高电压会使大气击穿电离形成等离子体,等离子体的辐射产生壮观的闪电。例如,霓虹灯鲜艳的色彩, 就是其中氖或氢等离子体产生的。此外,例如在日光灯、火焰或氢弹爆炸时也都有等离子体,围绕地球的电离层也是等离子 与地球不同,在的宇宙中,恒星(例如太阳)是高温电离形成的等离子体,稀薄的星云和星际物质则是由辐射电离形 成的等离子体,在宇宙中99.9%的物质是等离子体,如太阳风、恒星和星云等(如图2-2,2-3,24)
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 图2-2漂亮的北极光 图23太阳风 图2-4宇宙中的星云
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 (6)核聚变 众所周知,轻核的聚变可以获得取之不尽用之不竭的能量,为了实现可控热核反应而不是热核爆炸,需要解决一系列 唯题。例如,聚变只能在几百万度或更高的温度下进行,在这种温度下任何固体都将熔化而无法作为装载的‘容器”,为此, 人们采用磁场来约束等离子体,迫使等离子体的全部带电粒子按一定队形运动而不与固体器壁接触。然而,又出现了等离子 体的不稳定性问题,它使得约束无法维持到实现反应所需的时间。所以,为了解决等离子体的磁约束问题,不仅需要设计各 种磁场位形,建立巨大而复杂的托卡马克装置,图2-1就是托卡马克中的等离子体:图2-5是合肥的中国科学院等离子体研究 所的正在建造的新一代超导托卡马克HTU装置。 图25中国科学院合肥等离子体研究所的超导托卡马克HT-兀U装置
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 3.超导体 (1)什么是超导体 某些金属或合金的温度降到接近绝对零度时,其电阻突然变为零或接近于零,这种现象称为超导电现象。 现代超导重力仪的观测表明,超导态物体的电阻率必定小于1029m,远远小于正常金属迄今所能达到的最低电阻率0 因此,可以认为超导态的电阻率确实为零。图2·6是超导厚薄膜的微观电镜图象 od 图26超导厚薄膜的微观电镜图象 (2)超导体的发现 超导体首先由荷兰物理学家开默林一昂纳斯( Kamerlingh- Onnes heike l853-1926)图2-7)于1911年发现。昂纳斯长期 从事低温物理的硏究,是他首先打开了低温世界的大门,他创建的莱顿实验室是世界著名的低温物理硏究中心之一。他第一个
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 实现了氢气的液化,接着又实现了氦气的液化。1911年,他发现的水银样品在温度4.22°K~4.27K时电阻消失,接着他又发 现其他一些金属也有这种现象。昂纳斯因在低温的获得和低温下物性的研究而获得1913年诺贝尔物理学奖。 图27超导体的发现者荷兰物理学家开默林一昂纳斯 (3)转变温度 正常导体转变成超导体的温度称为转变温度。大量的研究表明,除汞外有几十种元素、数千种合金和化合物都具有超导 性。由于处在超导态的导体的电阻接近零,电流在超导体中一旦形成,便能经久不衰地持续下去,而无需电场的作用。 (4)BCS理论 1957年美国物理学家巴丁(J. Bardeen)、库柏( LN.Cooper)和施瑞弗( J.R. Schrieffer)三位理论物理学家(图2:)提出 了超导的微观理论简称BCS理论(以三人名字第一个字母命名的理论),他们三人因此而获得1972年诺贝尔物理学奖。按照 这一理论,超导的转变温度不会高于30°K,这一结论使本来已经萧条的超导物理变得更加沉闷
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中国科学技术大学《电磁学》 第二章稳恒电流 作者:叶邦角 图2-8BCS理论的提出者美国物理学家巴丁、库柏和施瑞弗 (5)高温超导 1986年,瑞士物理学家贝德诺兹( BEDnorz)和米勒( K.AMuller)教授(图2-9)发现了新的超导材料—氧化物超 导体,能在较高的温度下获得超导性,打破了BCS理论的禁锢,两人荣获1987年诺贝尔物理学奖。 图2-9瑞士物理学家贝德诺兹和米勒
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