Day 4-265

【摘要】
2024年10月員林高中數理實驗班師生於台北四天三夜校外教學，第四天於東吳大學化學系進行校外教學的過程。助教講解超導體實驗的過程，重點說明了超導體的臨界溫度，以及如何藉由液態氮冷卻超導體，觀察其抗磁性（邁斯納效應），並以磁鐵懸浮實驗演示超導體的特性。實驗過程中，助教也強調實驗安全的重要性，並說明了如何判斷超導體合成實驗的成功與否。最後，助教簡述了超導體在醫學成像和磁浮列車等方面的應用。

【常見問題】
1.什麼是超導體？為什麼它們很重要？
超導體是一種特殊的材料，當溫度降低到某個臨界溫度以下時，會呈現兩種獨特的特性：一是完全沒有電阻，電流可以在其中毫無損耗地流動；二是會將磁力線排斥在外，也就是產生所謂的「邁斯納效應」。超導體在醫學（如核磁共振）、交通（如磁浮列車）和能源傳輸等方面都有重要的應用潛力，可以大幅提升效率並減少能源浪費。

2.什麼是超導體的臨界溫度？為什麼臨界溫度很重要？
臨界溫度是指超導體開始展現超導特性的溫度。這個溫度必須達到，材料才會轉變為超導態。臨界溫度的高低非常重要，因為較高的臨界溫度表示我們可以使用更容易取得且成本較低的冷卻劑（如液態氮）來達成超導狀態。如果臨界溫度太低，就可能需要使用昂貴的液態氦來冷卻，這將大大增加實際應用上的成本。

3.超導體是如何被發現的？
超導現象最早在1911年由荷蘭科學家發現，當時發現的超導體臨界溫度非常低，只有 4.2K（－269℃），必須使用液態氦才能達到超導狀態。後來在1987年，台灣科學家朱經武和吳茂坤教授發現了新的超導材料，將臨界溫度提高到液態氮沸點 77K（－196℃）以上。這項發現使得超導體的應用更為廣泛。

4.超導體分為低溫超導體和高溫超導體，它們的區別是什麼？
超導體通常根據它們的臨界溫度來分類。低溫超導體是指臨界溫度非常低的超導體，通常需要液態氦來冷卻。高溫超導體則是臨界溫度較高，可以使用液態氮來冷卻的超導體。這裡說的「高」溫是相對而言，並非指室溫。

5.超導體為什麼會產生磁浮效應？
超導體的磁浮效應（也稱為邁斯納效應）是由於其內部的屏蔽電流所導致。當超導體處於磁場中時，其表面會產生屏蔽電流，這些電流會產生與外部磁場方向相反的磁場，使得外部磁力線無法穿透超導體。這就會產生磁鐵被排斥的效應，進而造成磁浮現象。

6.在實驗中如何觀察超導體的磁浮現象？
在實驗中，通常將超導體材料冷卻到其臨界溫度以下（例如用液態氮），然後將一個磁鐵放在超導體上方。由於邁斯納效應，磁鐵會被超導體排斥，因此磁鐵會浮在空中，不會接觸到超導體。這是一個定性的測試，用於確認材料是否具有超導特性。

7.為什麼影片中的磁鐵會在浮起一段時間後掉下來？
在實驗中，磁鐵最初會浮起來，但隨著時間推移會掉下來。這是因為超導體周圍的液態氮會逐漸汽化，導致超導體的溫度升高。當超導體溫度超過其臨界溫度時，超導特性就會消失，磁浮現象也會隨之消失，磁鐵就會因重力而掉落。

8.超導體材料的合成與純度對實驗結果有什麼影響？
超導體材料的合成品質和純度對實驗結果至關重要。如果合成出的材料不夠純淨，或者主要成分不足，那麼磁浮高度可能會比預期低。純度高的材料，超導特性更明顯，磁浮效果也更好。這也是為什麼在實驗室中，除了定性的測量外，還需要用儀器對合成出的材料進行成分分析與純化。


主要參與者:
倪赫擎老師 (導師)
數理實驗班一年二班部份學生

#員林高中 #數理實驗班 【四天三夜#校外教學參訪】 #113學年度 一年二班 導師 #倪赫擎 2024年10月
   • #員林高中 #數理實驗班 【四天三夜#校外教學參訪】 #113學年度 一年...