“‘超导线圈’中的‘电子漂移速率’”讨论

 

杨明昆   王严学   杨昭国

(ygyzg@126.com)

 

    1.“超导”

    1911年春，荷兰莱顿大学的海克·卡末林·昂内斯（Heike Onnes）在用液氦，将汞冷却到-268.98℃时，汞的电阻突然消失了；后来他又发现许多金属和合金，都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，昂内斯称之为超导态。昂内斯因为这一发现，获得了1913年诺贝尔奖。^［1］

    超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，而这一温度称为超导转变温度（Tc）。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性。

    超导材料，又称为超导体，指可以在在特定温度以下，呈现电阻为零的导体。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度，叫超导临界温度。

    1.1“持久电流”

    为了证实（超导体）电阻为零，科学家将一个铅制的圆环，放入温度低于Tc=7.2K（0K=-273.15℃；K开尔文温标，起点为绝对零度）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，这就是著名的昂内斯持久电流实验。 ^［2］

 

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图1 “持久电流”

    1.2“强电流”

    1991年10月，日本原子能研究所和东芝公司共同研制成核聚变堆用的新型超导线圈。该线圈电流密度达到每平方毫米40安培，为过去的3倍多，达到世界最高水准。该研究所把这个线圈大型化后提供给国际热核聚变堆使用。这个新型磁体使用的超导材料是铌和锡的化合物。 ^［1］

    2.“自由电子漂移”

    2.1“自由电子”

    自由电子一般泛指在金属中离原子核最远的电子往往会脱离原子核的束缚而在金属中自由活动，这种电子叫做自由电子。

    单位体积导体中的自由电子数量即自由电子密度。铜的自由电子密度为8.5×10²⁸/米³（记为ρ）。各种金属的自由电子密度有相同的数量级。^［3］

    2.2“电子漂移”

    漂移速度，是指一个粒子（例如电子）因为电场的关系而移动的平均速度。^［4］

    由电流定义，若通过导体横截面的电荷量Q，所用的时间为t，则电流I=Q/t 。若设导体（良导体）的横截面积为S，导体每单位体积内的自由电荷数为n，每个电荷的电荷量为e，电荷的定向移动速率为v，则在时间t内处于相距为vt的两截面A、B间的所有自由电荷将通过截面B，可有Q=nesvt。由I=Q/t，可得I=nesv。其中：n表示单位体积内的自由电荷数，e为电子的电量，s为导体横截面积，v为自由电子定向移动（电子漂移）的速率。^［5］

 

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图2 “电子漂移速率”v

    2.2.1“一般导体电流”

    在一般情况下，导体中自由电子定向移动的速率，是很小的。在《普通高中课程标准实验教科书高二物理选修3-1》“第二章、恒定电流”中，用例题的方式给出了这个速率的数值：v=7.5×10^-5米/秒。

    2.2.2“超导体电流”

    对于上述中的“超导线圈”产生的电流强度I=40安培，电流密度J=40安培/毫米²。

    电子的电量e=-1.602×10^-19库伦。^［6］

    由n=ρvts和I=nesv，有I=nesv=（ρvts）esv=ρtes²v²，所以有v²=I/（ρtes²）。

    若设“超导线圈”中导线的横截面面积s=1毫米²=10^-6米²，t=1秒，由ρ=8.5×10²⁸/米³，I=40安培，则有   v²=I/（ρtes²）

=40/（8.5×10²⁸×1×（1.602×10^-19）×（10^-6）²）

=40/（8.5×10²⁸×（1.602×10^-19）×10^-12）

=40/（8.5×1.602×10^-3）

=40/（13.617×10^-3）

=2.9375045899×10³

=29.375045899×10²，

    所以v=5.4198750815×10=54.198750815（米/秒）。

    可见，“电子漂移速率”在“超导体”中是很大的，比在“一般导体”中高出5个数量级。

    3.“反重力”效应

    3.1“重心失重”

    《实验“反重力”》 ^［7］一文认为，作“圆周运动”的“电荷质点”——“电子”的“速度”，使得圆筒对称轴的“空间”趋向“平直”——引力减小——“反引力”效应。而这种“平直”作用的能力量度也应该是“相对论因子”√1-(v²/c²)（v为绕圆筒对称轴旋转的“电子”“质点”的速率）。

    可以用仪器检测出“轴向平直”的作用——“重量变轻”——“反重力”！

    把一个用绝缘的、不能被磁化的材料（排除磁化对实验的影响），做成的直径小于“直流圆筒”的内直径的圆柱体，悬挂在一个弹簧秤下，放入“直流圆筒”的中心，让圆柱体的“重心”与“直流圆筒”的“对称轴”“重合”，且不与“直流圆筒”接触。

 

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图3 “重心失重”

    记录不通直流电时弹簧秤的读数I₀、通入“高电压”“直流电”的电压为U时弹簧秤的读数为I₁。然后，再交换直流电的正负极，记录弹簧秤的读数为I₂。 

    如果上述读数发生改变：出现I₁< I₀< I₂或I₂< I₀< I₁——重量“变轻”或“变重”，那么就可以说明“直流圆筒”能够产生“反重力”效应。

    3.2“超导圆筒”

    由于在“一般导体”中“电子漂移速率”只有7.5×10^-5米/秒，“相对论因子”√1-(v²/c²)的数值很小，对“中心”的“空间平直”作用不显著，很可能导致“重心失重”不明显，实验效果不理想——上述的I₁、I₀、I₂之间的差异难以测量。

    但是，在“超导体”中“电子漂移速率”达到了54.198750815米/秒，比在“一般导体”中高出了5个数量级。如果将“直流圆筒”改为“超导圆筒”，那么“相对论因子”√1-(v²/c²)的数值“相对地”就变大了，对“中心”的“空间平直”作用就会增强，“重心失重”的实验效果就会比较明显。

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图4 “超导圆筒”

 

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图5 “盘状失重”

 

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图6 “碟形失重”

    恳请广大读者朋友，利用“超导圆筒”的“强电流”进行实验，来验证“反重力”——检测“反引力”。

 

 

参考资料：

［1］《超导》百度百科

（http://baike.baidu.com/subview/22632/12260770.htm）

［2］《超导体》百度百科

（http://baike.baidu.com/link?url=qLOkOgbTN_ILI7bAE011ZUbrbGc73VaPVxs9c0dto8YiScCPV_zDxwvCluzxIaoE）

［3］《自由电子》百度百科

（http://baike.baidu.com/view/299309.htm）

［4］《漂移速度》百度百科

（http://baike.baidu.com/view/2268521.htm?fr=aladdin）

［5］《电流》百度百科

（http://baike.baidu.com/view/10897.htm?fr=aladdin）

［6］《电子》百度百科

（http://baike.baidu.com/subview/3476/15884570.htm?fr=aladdin）

［7］《实验“反重力”》

（http://blog.sina.com.cn/s/blog_94b2f1e50102vh2x.html）

［8］相关资料请参考《“引力场”与“空间场”》

(http://blog.sina.com.cn/u/2494755301)

（杨明昆 王严学 杨昭国期待您的交流、讨论  ygyzg@126.com)