常温式传感器常温超导关键时刻！建议用这个传感器检测？研究团队却拒交样品！

发布时间：2024-11-24 21:11:44

常温超导关键时刻！建议用这个传感器检测？研究团队却拒交样品！

近日，大家或许都被韩国研究团队发现常温常压超导体新材料LK-99的新闻刷屏，随着消息的发酵，全球大学都在追求复现该实验结果，但目前仍“真假难定”。

据8月3日最新消息，由韩国超导体专家组成的韩国超导低温学会，表示某研究所制造的LK-99材料不足以证明其为常温常压超导体，因为没有表现出迈斯纳效应。

并且，韩国超导低温学会成立验证委员会对该结果进行验证，验证委员会解释说，为了验证超导体的两个特性：电阻为零的现象和完全半磁性特征，将测量样品的磁化率和电阻。

验证委员会特别提到，对磁化率的测试，将使用一种超灵敏的磁传感器进行检测，可以精密测量。 言下之意，只有通过该传感器对样品进行磁化率等检测后，才能最终下定结论。

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令人意外的是，该韩国团队拒绝向验证委员会提交样品，并表示要看请等到明年美国物理学会届时进行展示。

怎么检测是否是常温常压超导体？韩国超导低温学会是指用什么传感器检测磁化率？常温常压超导体对人类有什么意义？ 请看下文。

韩国专家想用SQUID超导磁传感器检测全球“第一个”超导体样品！什么是SQUID？

为了验证超导体的两个特性：电阻为零的现象和完全半磁性特征，将测量样品的磁化率和电阻。

韩国超导低温学会验证委员会表示：“磁化率是使用SQUID的超导传感器的磁化率测量系统 ，可以精密测量，只要提供样品，不会花费很长时间”，“但是为了验证，需要多次的再现实验和交叉验证，正在协商在何种范围内测量哪些变量。”

这里，韩国验证委员会想对该超导体样品进行磁化率检测使用的是一个名为SQUID的磁传感器。什么是SQUID？

SQUID中文名称为超导量子干涉仪（Superconducting Quantum Interference Devices, SQUID），这是一种将磁通转化为电压的磁通传感器， 是一种能测量微弱磁信号的极其灵敏的仪器，不仅可以用来测量磁通量的变化，还可以测量能转换为磁通的其他物理量，如电压、电流、电阻、电感、磁感应强度、磁场梯度、磁化率等。

SQUID 作为探测器，可以测量出 10-11 高斯的微弱磁场，仅相当于地磁场的一百亿分之一，比常规的磁强计灵敏度提高几个数量级，是进行超导、纳米、磁性和半导体等材料磁学性质研究的基本仪器设备，特别是对薄膜和纳米等微量样品是必需的。利用 SQUID 探测器侦测直流磁化率信号，灵敏度可达 10-8 emu；温度变化范围 1.9 K~400 K；磁场强度变化范围 0~70,000 高斯（7 特斯拉）。

SQUID磁传感器的基本原理是建立在磁通量子化和约瑟夫森效应的基础上的，被一薄势垒层分开的两块超导体构成一个约瑟夫森隧道结，当含有约瑟夫森隧道结的超导体闭合环路被适当大小的电流偏置后，会呈现一种宏观量子干涉现象，即隧道结两端的电压是该闭合环路环孔中的外磁通量变化的周期性函数，其周期为单个磁通量子Ф0=2.07×10-15Wb，这样的环路就叫做超导量子干涉仪.

▲SQUID磁传感器结构示意图

SQUID磁传感器需要使用到超导材料，根据其所使用的超导材料，可分为低温超导（LTc SQUID）和高温超导（HTc SQUID） ——显然目前不会有室温超导SQUID仪。又根据其偏置电流的不同，分为直流和射频两类，即DC-SQUID和RF-SQUID 两种。

DC-SQUID在直流偏置电流下工作，含有两个约瑟夫森结的超导环。RF-SQUID即射频超导量子干涉仪，它的探测器件含有一个约瑟夫森结的超导环和一个与之相耦合的射频谐振器。

下图为DC-SQUID和RF-SQUID的结构示意图，可直观看到两种SQUID磁传感器的区别。

▲DC SQUID和 RF SQUID的示意图

作为灵敏度极高的磁传感器，SQUID超导量子干涉仪可用于生物磁测量、大地测量、无损探伤等领域各种弱磁场的精确测量 ，如超导体在Tc附近磁化率的涨落 、在较宽温度范围内生物化学样品的磁化率、岩石磁力、极低温度下的核磁化率等。

▲几种多晶样品在1T直流场的变温磁化率（来源：测试狗）

超导体材料为什么要测磁化率？超导跟磁化率有什么关系？这要从超导发现的历史说起

那么，为什么韩国超导低温学会验证超导体材料就要测磁化率？超导体跟磁化率有什么关系？这可能需要从超导体发现的历史说起。

1911年，荷兰莱顿大学的卡莫林-昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）意外地发现，汞在-268.98°C时电阻消失的现象； 后来又有许多金属和合金被发现都具有与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，卡莫林-昂尼斯称之为超导态。

卡莫林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。 这一发现引起了世界范围内的震动。在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。

▲卡莫林-昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）和超导性的发现（来源：A Hundred Years of Superconductivity）1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质 ，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。 对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了 ，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”（Meissner effect）。

后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。 需要补充的是，直到目前为止，也未发现除了超导体外的其他原因能产生这一现象。

电阻是由磁场导致的。电流会产生磁场，从而形成阻力。阻力的变化则会改变电流，又会反过来改变导体内部的磁场。

也即是说，就目前的科学研究结果来说，零电阻的物体里面就不存在磁场，对施加的任何磁场表现出完全的抗磁性——即迈斯纳效应。

所以，韩国超导低温学会才提出用SQUID——目前地球上最灵敏的磁传感器，来监测样品的磁化率。如果该样品里面不存在磁场，那么基本可以确认是超导体。

目前发现的超导体材料，均是在“极端温度”和“极端压力”等条件下才能实现的，因此对实际应用意义有限。

从1911年至今100多年，人们一直致力于寻找常温常压超导体。

▲来源：新智元

人类为什么致力于寻找常温常压超导体？

如果说人类文明起源于对火的使用，那么对电的发明和使用就像人类再次发现了“火”。

自从人类发现并掌握电以来，电的用途无处不在，交通、取暖、照明、电讯、计算等等，几乎所有机器都离不开电，就像人离不开水一样。

现代社会，电和水对人类来说几乎同等重要。水和电也是现代城市最离不开的两样东西，因此马化腾曾说腾讯要做互联网的水和电——事实上这就是微信在当前中国互联网的地位。

而电最大的障碍就是电阻——在电的传输过程中无处不在，电阻不仅消耗电而且会产生热。

譬如半导体产业中，目前芯片制造过程中需要消耗大量的电能，公开数据显示，预计2025年台积电用电量将占中国台湾整体的12％。其中至少有一半的能源由于电阻，消耗在了传送的路上。

因此，常温常压超导体的出现，首先在电的传输线路——超导电线，在没有任何电阻的情况下，意味着超导体能以无损的方式传输电能，从而实现能源效率的最大化。

此外，对计算机等电子产品的设计将产生翻天覆地的变化，芯片的设计将不用再考虑发热的问题 ，这样高速计算、高速传输、小型化等设计将更为容易，不再需要散热系统、光纤被取代、先进制程门坎降低等等。

有资料推测，使用超导体即使是小如iPhone的手机，都能拥有与量子计算机匹敌的运算能力。

我们现在的高铁可能就被磁悬浮列车所取代 ，因为常温常压超导体材料从内部排出磁场，这使得它们成为强大的电磁铁。

我国中车四方研制的高速磁浮交通系统达到时速600公里 ，磁悬浮以时速600公里从北京开到上海贯穿1000多公里只需要2.5个小时，同样的距离乘坐飞机需要3小时，高铁5.5小时。所以在1500公里的范围内行驶，该磁悬浮是最快的交通工具。

对传感器、仪器等等所有行业均具有颠覆性，我们上文中提到的SQUID磁传感器，目前只能使用高温超导或低温超导材料，因此使用条件苛刻，如果有室温超导材料的SQUID磁传感器，就能直接降低该仪器的使用限制。

结语：人类文明处于爆发前夕？

近年以来，科技领域接连来了许多重大突破，从未如此密集：Chatgpt、AIGC、数字虚拟人、CPO光模块、算力、液冷服务器、4D毫米波雷达、镓和锗的应用、固态电池、减速机、机器人、无人驾驶、智能座舱、存储器、Chiplet、低轨卫星、太空光伏……

现在，常温常压超导体似乎到了“未来已来”的时刻，与以往很快被证伪的论文不同的是，本次随着多个大学的复现，虽然不能直接鉴真，但也难以证伪——未来可期。

我们，正走在不断将未来变成现实的路上，“未来已来”这一刻似乎不太远。

火灾报警，竟然靠的是气敏电阻？

大家好，我是李工。

大家都知道，在交通规则中，酒驾是违法的，通常情况交警会让呼一口气，就可以检测有没有酒驾；如果发生火灾，会有报警器提醒；家中燃气泄漏也会有报警器，其实这靠的都是它--气敏电阻。

今天我就来详细谈一谈气敏电阻。

什么是气敏电阻？

气敏电阻器是利用金属氧化物半导体表面吸收某种气体分子时，会发生氧化反应或还原反应而使电阻值发生改变而制成的电阻器。

通常，气敏电阻器是将某种金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其他添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。它可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。它常作为气体感测元件制成各种气体的检测仪器或报警器产品，如酒精测试仪、煤气报警器、火灾报警器等。

气敏电阻器通常由4根引脚，其中2根是电极，2根为加热丝引脚。常温型气敏电阻不用加热丝，所以一般是2根管脚。

气敏电阻实物图

气敏电阻电路图

气敏电阻分类

按原理分类：

电阻式：使用最多的一种，一般用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作；

非电阻式：为半导体器件。

按气体分类：

N型：检测甲烷、一氧化碳、天然气、煤气、液化石油气、乙炔、氢气等气体时其电阻值减小；

P型：检测可燃气体阻值变大，而检测氧气、氯气及二氧化碳其阻值减小。

按国产分类：

直热式：加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管内；

旁热式：陶瓷管为基层，管内加穿热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料。

气敏电阻工作原理

气敏电阻和其他敏感电阻都不同的是，气敏电阻材料都是不固定的。例如：氧化锡、氧化锌、三氧化二铁、氧化镁、氧化镍、钛酸钡等等这些材料。检测的方式都是固定，用特殊的气体与被测气体发物理或者化学上反应，使得在电阻方面表现出它明显的一个差异来，这种差异越明显、灵敏度越高，我们通过电路的设计将电阻的信号转化为电压或者电流的信号传递给芯片作出一个处理，最后直观的显示出我们想要了解的数值，或者达到某个阈值就报警了。

气敏电阻测量电路

气敏电阻的特征

如下图所示，为气敏电阻的灵敏度温度特性曲线图，当温度升高时，气敏电阻的灵敏度会上升，但达到某一个温度，气敏电阻的灵敏度就会下降，所以说气敏电阻有一个最佳灵敏度。

气敏电阻灵敏度-温度特性曲线

如下图所示，同一浓度下的不同气体，气敏电阻的阻值变化是不一样，同一气体不同浓度下的电阻值也是不一样，这也是气敏电阻与其他敏感电阻不同的地方。

气敏电阻-气体浓度特性曲线

气敏电阻器的主要参数

1．加热功率

它是加热电压与加热电流的乘积。

2．允许工作电压范围内

在保证基本电参数的情况下，气敏电LTC3411AEMS阻器工作电压允许的变化范围。

3．工作电压

它是指工作条件下，气敏电阻器两极间的电压。

4．加热电压

它是指加热器两端的电压。

5．加热电流

它是指通过加热器的电流。

6．灵敏度

它是指气敏电阻器在最佳工作条件下，接触气体后其电阻值随气体浓度变化的特性。如果采用电压测量法，其值等于接触某种气体前后负载电阻上的电压降之比。

7．响应时间

它是指气敏电阻器在最佳工作条件下，接触待测气体后，负载电阻的电压变化到规定值所需的时间。

8．恢复时间

它是指气敏电阻器在最佳工作条件下，脱离被测气体后，负载电阻上的电压恢复到规定值所需要的时间。

气敏电阻器的功能应用

气敏电阻的应用十分广泛，常作为气体感测元件，制成各种气体的检测仪器或报警器产品：

1、测饮酒者呼气中酒精量 的气敏电阻传感器；

2、测量汽车空燃比 的氧气传感器；

3、家庭和工厂用的煤气泄漏 传感器；

4、用作预防建筑材料着火产生有毒气体 的传感器；

5、下水道坑内的沼气警报器。

6、化工生产中气体成分的检测与控制

7、煤矿瓦斯浓度的检测与报警 ；

8、环境污染情况 的监测；

9、燃烧情况 的检测与控制等。

酒驾检测仪

便携式气体检测仪

燃气泄漏报警器

煤气泄露检测报警电路

如下图所示，它是由气敏传感器、晶闸管和报警音响产生的芯片等器件构成的。

煤气泄漏检测报警电路

烟雾检测电路

烟雾检测电路由气敏电阻器R3和电阻器R1、R2组成。气敏电阻器在未检测到烟雾时,其A、B两端之间的电阻很大,这样加到VT1基极的直流电压很低,VT1处于截止状态,电路处于待警状态。

当烟雾到一定的浓度时,R3的A、B两端间电阻下降,这时直流工作电压+V通过R1与R3的A和B端内阻、R4、RP1加到VTI基极,VT1基极直流电压升高,VT1饱和导通,VT1发射极输出的直流电压通过R5、R6分压后加到A1的⑤脚,使A的⑤脚为高电平,A1内电路中的“电子开关”接通,即A1的①、②脚之间接通,这样直流工作电压+V经闭合的S1、A1的①、②2脚,加到高响度报警器上,报警器发出高响度声响,提示出现烟雾。

烟雾检测报警器

火灾报警器电路

当电源开关S1接通后，电路处于自动检测报警的工作状态。

烟雾检测电路由气敏电阻器R3和电阻R1、R2组成。气敏电阻器在未检测到烟雾时，其A、B两端之间的电阻很大，这样加到VT1基极的直流电压很低，VT1处于截止状态，电路处于待警状态。

当烟雾到一定的浓度时，气敏电阻器R3的A、B两端间电阻下降，这时直流工作电压+V通过R1与R3的A和B端内阻、R4、RP1加到VT1的基极，VT1基极直流电压升高，VT1饱和导通，VT1发射极输出的直流电压通过R5和R6分压后加到A1的5脚，使A1的5脚为高电平，A1内电路中的电子开关接通，即A1的1脚和2脚之间接通，这样直流工作电压+V经闭合的S1、A1的1脚和2脚，加到高响度报警器上，报警器发出高响度声响，提示出现烟雾。