第三章 材料的输运性质

探究超导材料的输运性质超导材料是具有独特电性质的材料，其输运性质一直是科学家们研究的焦点。

超导材料的卓越导电性能使其在电力输送、能源储存等领域具有巨大潜力。

本文将就超导材料的输运性质展开探究。

首先，我们来了解一下超导材料的基本特性。

超导材料在低温下具有无电阻的导电特性，这是超导现象的根本表现。

研究者发现，当材料的温度降低到超导转变温度以下时，电子会以“配对”的形式出现，这些配对的电子称为“库珀对”。

库珀对能够在材料中无阻抗地流动，形成超导电流，从而表现出超导性。

超导材料的输运性质主要包括电阻、电流和磁通的关系。

在超导态下，电阻为零，电流可以无阻碍地流动，而磁通则会排斥超导体内部。

这种磁场排斥现象被称为“迈斯纳效应”。

迈斯纳效应与超导材料的输运性质有着密切联系。

对于超导材料来说，若外加磁场过强，就会压制超导性，导致材料返回正常导电状态。

除了温度和磁场的影响外，超导材料的输运性质还受到电场的影响。

在外加电场作用下，超导材料中会出现“雪崩效应”。

雪崩效应是指当电场达到一定强度时，库珀对开始分离，使超导材料失去超导特性。

这一现象被称为电场诱导的“雪崩过程”。

研究者们利用这一性质，发展了电场传感器和强磁场测量技术等应用。

此外，超导材料的输运性质还与材料的结构和化学成分密切相关。

研究表明，超导材料的晶体结构、晶格对称性、电子结构等因素对其输运性质有着重要影响。

例如，某些超导材料的晶格结构与“弗洛依德基福效应”相关，即当晶格具有局部各向异性时，会产生超导性。

此外，添加不同的元素或化合物也可以改变超导材料的输运性质，使其在不同温度和磁场条件下表现出不同的超导性。

在实际应用中，研究者们通过改变超导材料的成分和结构，以及温度和磁场等外界条件，来探索基于超导性的输运性质。

超导材料的输运性质研究涉及到材料科学、凝聚态物理等多个学科领域的交叉。

科学家们通过材料制备技术、物理性质表征和理论模拟等手段，不断深入地了解超导材料的输运性质。

第三章(补) 输运现象的分子运动论基础清华大学 李水清 姚 强 整理为了深入理解质量扩散（费克定律）、热量扩散（傅立叶定律）和动量扩散(牛顿粘性定律)的宏观定律的分子基础，我们还需要了解一些气体动理学方面的理论(Kinetic theory of gases)。

事实上，动理学知识的了解不仅对由刚性分子组成常规气流，还是由非弹性碰撞的颗粒组成自然界的颗粒流，都是大有裨益的，有兴趣的读者可参见Chapman 和 Cowling(1961)、Vincenti 和Kruger(1965)、Liboff(1990,2003), Gidaspow (1994)。

简单而言，由于分子在随机热运动中，从一个区域到达另一个区域时，这些分子就输运了他们原先所在区域内宏观性质，如果这些宏观性质(如速度、温度和组分)沿空间是非均匀分布的，那么这些分子与其所抵达的区域之间性质就产生了不平衡。

由于这些分子的输运过程，在宏观上就出现了大家所熟悉的非平衡现象：扩散、粘性和热传导。

(3.S-1)(3.S-2)(3.S-3) 1. 分子速度大小的麦克斯韦分布下面，我们重点介绍这三个宏观定律的分子动力学基础。

学过统计热力学的同学应知道，气体中的所有分子并不是都以相同的速度运动，而且一个跟定分子的速度也不会随时间保持不变。

麦克斯韦在1860年首先发表了平衡态气体的速度分布函数，222x y z ()()exp(3/2i x y z B B -m v v v m f v f(v ,v ,v )=n()2k T 2k Tπ++= (3.S-4)其中n 是单位体积内分子的数目(即数密度)，满足：()i x y z n f v dv dv dv +∞−∞=∫(3.S-5)麦克斯韦分布是建立在分子运动论的基础上的，主要是基于考虑因碰撞引起的i v 分子的变化率来进行的，有兴趣的读者具体可以参见Vincenti 和Kruger(1965)的专著《物理气体动力学》，在此不赘多述。

超导材料的输运性质模拟与分析研究超导材料是一种具有零电阻和完全抗磁性的特殊材料，其电流在无外部电场作用下可以无耗散地流动。

超导材料的输运性质模拟与分析研究是研究超导现象背后机理的关键一步。

本文将探讨超导材料输运性质模拟与分析研究的方法和应用。

一、材料的晶格与输运性质超导材料的输运性质与其晶格结构密切相关。

晶格结构决定了超导电流在材料内的运输方式和行为。

因此，通过模拟和分析晶格结构，可以更好地理解和预测超导材料的输运性质。

目前，常用的晶格分析方法包括分子动力学模拟和密度泛函理论。

分子动力学模拟可以模拟材料中原子的运动和相互作用，从而研究晶格结构与输运性质之间的关系。

密度泛函理论则基于电子结构计算，通过求解薛定谔方程来模拟和分析晶格结构。

这些方法为研究超导材料的输运性质提供了重要的工具。

二、超导电流的输运性质模拟超导材料的输运性质模拟主要集中在电流的输运和超导相变的模拟上。

电流的输运模拟可以通过建立电路模型或电子输运模型来实现。

电路模型将超导材料看作一个电路元件，研究电流的传递和分布。

而电子输运模型则考虑材料中电子的运动和碰撞，探究电子输运过程中的能量损失和输运效率。

超导相变的模拟研究则关注超导材料在不同温度和外部场强下的相变行为。

相变的模拟可以通过建立基于微观格里芬和伦德尼兹方程的宏观级模型来实现。

这些模型可以描述超导材料相变过程中的输入和输出，为超导材料的输运性质研究提供详细的信息。

三、应用与展望超导材料的输运性质模拟与分析研究在实际应用中具有广泛的应用前景。

首先，通过模拟和分析超导材料的输运性质，可以为超导材料的设计和制备提供指导。

例如，在超导电流的输运模拟中，可以根据电流的传输和分布情况优化超导材料的结构，提高超导性能。

其次，超导材料的输运性质模拟与分析还可以用于研究超导材料的损耗机制和导体的稳定性。

超导材料在输运过程中存在能量损耗，其中一部分被转化为热能，导致超导状态的破坏。

通过模拟和分析输运过程中的能量损耗，可以发现导致损耗的主要因素，并提出相应的改进方法。

金属材料的电输运性质在现代科技发展的背景下，金属材料的电输运性质成为了研究和应用的重要课题之一。

金属作为一种重要的材料，具有良好的导电能力和热传导性能，其电输运性质的研究对于电子学、能源材料等领域的发展具有重要意义。

首先，金属材料的电输运性质与其特殊的电子结构密切相关。

金属材料的导电性是由金属中的自由电子贡献的，根据固体电子理论，金属内部原子轨道的电子会形成能量带，其中最外层电子轨道形成价带，但由于金属原子价电子数量通常很少，价带之上还有较宽的导带，其中的电子具有较高的能量，可以自由运动。

这种自由电子的存在，使得金属材料具有良好的导电性能。

其次，金属材料的电输运性质具有一定的特殊性。

金属中的自由电子可以在外加电场的作用下自由移动，从而在金属内部形成电流。

金属材料的电导率是评价其导电性能的重要指标，它反映了金属导电能力的强弱。

导电率与金属材料中的自由电子浓度和电子的迁移率有关。

自由电子浓度越高，电子之间的相互碰撞越频繁，电子迁移率越小，从而导电率越低。

不同金属的导电率不同，一般来讲，银、铜、金等金属材料的导电率较高，而钨、铁、锌等金属材料的导电率则较低。

此外，金属材料的电输运性质还与材料的纯度有关。

杂质对电子的传导产生一定的散射作用，降低材料的电导率。

因此，为了提高金属材料的导电性能，必须尽量减少材料中的杂质含量。

为此，科学家们通过研究和改进材料的各种制备工艺，提高材料的纯度，从而达到提高导电性能的目的。

此外，金属材料的电输运性质还与材料的晶格结构有关。

金属的晶格结构通常是紧密堆积的球形原子构成的，原子之间通过金属键相互连接，形成连续的电子云。

这种紧密堆积的结构使得金属具有良好的电子迁移性能。

而材料的晶格缺陷则会影响电子的传输效率，从而降低材料的导电性能。

因此，科学家们通过改变材料的晶格结构，调控晶格缺陷，来提高金属材料的导电性能。

总之，金属材料的电输运性质是一个复杂而重要的研究领域。

金属材料作为一种重要的材料，在电子学、能源材料等领域具有广泛的应用前景。

第三章 输运现象与分子动理学理论的非平衡态理论教学目的与要求：理解粘性现象、热传导现象和扩散现象所遵循的宏观规律及其输运性质，理解理想气体三种输运现象的微观解释；掌握分子间平均碰撞频率和气体分子平均自由程的概念；了解气体输运系数的导出；了解稀薄气体中的输运过程。

教学方法：课堂讲授。

注意引导学生从宏观和微观两方面理解三种输运现象。

教学重点：粘性现象、热传导现象和扩散现象所遵循的宏观规律，理想气体三种输运现象的微观解释，分子间平均碰撞频率，气体分子平均自由程。

教学时数：12 主要教学内容：第一节 粘性现象的宏观规律一、牛顿粘性定律 层流 1、层流/湍流层流：在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂。

条件：流速较小，更确切说是雷诺数较小 湍流：流体的不规则运动 条件：雷诺数较大2、稳恒层流中的黏性现象（内摩檫现象）流体作层流时，通过任一平行于流速的截面两侧的相邻两层流体上作用有一对阻止它们相对“滑动”的切向作用力与反作用力，使流动较快的一层流体减速，流动较慢的一层流体加速。

这种力称为黏性力（内摩擦力） 最后，各层流体的流速不再随时间变化。

3、牛顿黏性定律各量含义：u ：流体速度（分子的定向运动速度）A dzduf ⋅⋅-=ηdu/dz ：速度梯度，稳恒层流中处处相等 A ：切向面积负号：相对速度较大的流体总是受到阻力 η：黏度（黏性系数）单位：帕斯卡秒（Pa.s ） 1Pa.s= 1N.s.m-2= 1Kg. m-1.s-1 黏度与流体的流动性质、温度有关。

数量级（P 110表3.1）：空气，常温10-5；水，10-3， 4、非牛顿流体（1）其速度梯度与互相垂直的黏性力间不呈线性函数关系，如血液、泥浆、橡胶等。

（2）其黏性系数会随着时间而变的，如：油漆等凝胶物质。

（3）对形变具有部分弹性恢复作用，如沥青等黏弹性物质。

5、气体黏性微观机理常压下气体的黏性是由流速不同的流体层之间的定向动量的迁移产生的。