功能材料与器件知识点

答案并非完全正确，仅供参考！

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1．国际单位制中的七个基本量有哪些？
长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量、发光强度。

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2．国际单位制中的七个基本量的单位是什么？
米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）、坎德拉（cd）。

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3．国际单位制中秒的定义方式是什么？
秒的定义基于铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

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4．国际单位制中米的定义方式是什么？
米是光在真空中于1/299,792,458秒内行进的距离。

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5．石英表中的核心功能材料和器件的分别是什么？
功能材料：石英晶体；核心器件：振荡电路。

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6．判断：国际单位制中千克的定义源自于法国巴黎的千克原器
错误（2019年后千克的定义基于普朗克常数）。

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7．使用光谱仪器时，3轮采集和3次背靠背测量分别是为了考虑哪种误差？
3轮采集：系统误差（如仪器漂移）；3次背靠背测量：随机误差。

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8．使用铂电阻温度计校准水银温度计时，铂电阻温度计上的读数属于哪种真值？
约定真值。

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9．摩擦纳米发电机TENG中：电势差源自两种材料发生（接触）或（分离）时，（电荷）在两种材料（表面）间的转移，而使用纳米材料的目的是为了增加（接触面积）。

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10．电子伏特eV的定义是什么？与焦耳的换算关系是什么？
定义：1 eV是一个电子在电势差为1伏特的电场中获得的能量。
换算：1 eV = 1.602×10⁻¹⁹ J。

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11．在一个原子中描述一个电子需要哪些量子数？
主量子数（n）、角量子数（l）、磁量子数（mₗ）、自旋量子数（mₛ）。

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12．按照电子排布规则，p轨道中如果包含4个电子，应该如何排布？
遵循洪德规则：三个轨道中一个轨道填充2个电子，其余两个轨道各填充1个电子，即 $\uparrow\downarrow$、$\uparrow$、$\uparrow$。

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13．电离能的定义是什么？N原子和O原子的电离能谁更大？
定义：基态气态原子失去一个电子所需能量。
N的电离能更大（因N的电子排布更稳定：半充满p轨道）。

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14．判断：Ag[47]的核外电子排布为[Kr]5s²4d⁹
错误。

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15．锂电池中，电解液和隔膜的作用是什么？
电解液：传导锂离子；隔膜：防止正负极直接接触，允许离子通过。

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16．锂电池（LiCoO₂﹣石墨）中，正极材料和负极材料分别是什么？
正极：LiCoO₂；负极：石墨。

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17．充电过程中，充电电压将上升还是下降？
上升（锂离子从正极脱嵌，进入负极，正极电势升高）。

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18．放电过程中，就锂离子而言，正极材料和负极材料中分别发生了什么？
正极：锂离子嵌入；负极：锂离子脱嵌。

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19．充、放电过程中，正极材料与负极材料之间的锂离子转移是如何实现的？
通过电解液中锂离子的迁移和外部电路的电子转移。

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20．空气形成电离通道后，电阻的来源是什么？
电离通道中的离子与中性分子的碰撞。

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21．电子迁移率的定义是什么？
单位电场强度下电子的平均漂移速度，即 $\mu = \frac{v_d}{E}$。

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22．电子获取能量方式（说出三种即可）？
电场加速、热激发、光激发。

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23．判断：电弧发光是由于电子获取了足够的能量脱离了原子核的束缚
错误（电弧发光是电子跃迁释放光子）。

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24．除了发光，电弧还伴随着什么？有什么应用？
高温；应用：焊接、金属切割。

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25．在已有电子的情况下，封闭空间内空气的击穿电压与哪些因素有关？
气压、温度、电极间距、电场分布。

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26．上述参数降低时，击穿电压为什么会急剧上升？
参数（如气压）降低导致平均自由程增大，电子加速距离增长，动能更高，更易电离气体。

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27．荧光灯（启辉器）电路中有几个电弧器件？
两个（启辉器和灯管）。

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28．荧光灯（启辉器）电路中灯丝的作用是什么？
预热灯管两端，降低启动电压。

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29．荧光灯发光时，启辉器金属片是闭合还是断开？为什么？
断开；灯管导通后电压不足以维持启辉器放电，金属片冷却断开。

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30．判断：固体的逸出功是材料的表面特性。
正确。

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31．阴极电子发射有哪些形式？
热电子发射、场致发射、光电子发射、次级电子发射。

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32．为什么钨被大量用作阴极材料？
逸出功高、熔点高、耐高温。

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33．对真空二极管，阴极与电源正极相连时，电路导通还是断开？
断开（阴极需接电源负极才能发射电子）。

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34．对真空三极管，栅极上信号增加时，管内电流如何变化？
电流减小（栅极负电压抑制电子发射）。

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35．判断：电阻是一个只与材料本身性能有关的参数。
错误（还与温度、几何形状有关）。

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36．载流子迁移数（输运数）的定义是什么？有什么作用？
定义：某种载流子对总电流的贡献比例；作用：分析电解质中离子导电占比。

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37．宏观层面如何测得电导率？
通过测量电阻 $R$，结合公式 $\sigma = \frac{L}{RA}$（$L$为长度，$A$为截面积）。

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38．微观层面描述导电性需要载流子的哪些性质？
载流子浓度（$n$）、迁移率（$\mu$）、电荷量（$q$）。

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39．写出金属导电的经典自由电子理论的电导率表达式
$\sigma = \frac{n e^2 \tau}{m}$，其中 $\tau$ 为平均自由时间。

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40．上式中的平均速度为什么出现在表达式的分母上？
平均自由时间 $\tau$ 与平均速度 $v$ 成反比（$\tau = \frac{\lambda}{v}$，$\lambda$ 为平均自由程）。

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41．波粒二象性中动量、波长、波矢（数）是如何联系起来的？
$p = \hbar k = \frac{h}{\lambda}$，其中 $k = \frac{2\pi}{\lambda}$。

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42．波函数模平方 $|\phi(x)|^2$ 反映的是什么？如果在整个空间里对 $|\phi(x)|^2$ 积分，结果是什么？
概率密度；积分结果为1（归一化条件）。

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43．怎样实现波函数位置空间与动量空间的互相转换？
通过傅里叶变换：$\phi(p) = \frac{1}{\sqrt{2\pi\hbar}} \int \phi(x) e^{-ipx/\hbar} dx$。

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44．海森堡测不准原理是什么？
$\Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$，位置和动量不能同时精确测量。

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45．为了建立量子自由电子理论，索末菲做了哪些理论近似？
假设电子服从费米-狄拉克统计，忽略电子间相互作用，采用周期性边界条件。

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46．在上述近似下一维金属链中，自由电子的波函数如何表达？
$\psi_k(x) = \frac{1}{\sqrt{L}} e^{ikx}$，其中 $k = \frac{2\pi n}{L}$（$n$为整数）。

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47．量子自由电子理论中的“量子化”如何体现？
电子波矢 $k$ 和能量 $E$ 取离散值，由边界条件决定。

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48．量子自由电子理论所给出的电导率表达形式是什么？
$\sigma = \frac{n e^2 \tau}{m}$，与经典理论形式相同，但 $\tau$ 由量子散射机制决定。

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49．三种固体导电理论是什么？三种固体导电理论之间的主要进步是什么？
经典自由电子理论、量子自由电子理论、能带理论；进步：引入量子化、能带结构、电子-晶格相互作用。

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50．写出三种固体导电理论中电导率微观表达式，描述其导电机制不同的三个主要因素。

• 经典：$\sigma = \frac{n e^2 \tau}{m}$（假设连续能量）；
• 量子：$\sigma = \frac{n e^2 \tau}{m}$（$\tau$ 由量子散射决定）；
• 能带：$\sigma = n e \mu$（$\mu$ 依赖能带结构）。
  差异：能量分布、散射机制、能带填充。

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51．由N个原胞组成的晶体中，一个布里渊区内可以允许多少个能级和电子存在？
能级数：N（每个k点对应一个能级）；电子数：2N（每个能级容纳2个自旋相反的电子）。

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52．能带理论说明了禁带的存在，禁带的物理表现是什么？
电子无法具有禁带范围内的能量，导致绝缘体/半导体在绝对零度下不导电。

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53．在用紧束缚近似描绘两个二价金属原子靠近时的能级分裂时，其能够导电的必要条件是什么？
能带部分填充（即存在未满的能带）。

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54．绝缘体和半导体由哪个参数区分？为什么绝缘体的价电子不能参与导电？
带隙宽度（绝缘体带隙 > 3 eV）；价带全满，导带全空，且热激发无法跨越带隙。

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55．半导体的电导率表达式是什么？
$\sigma = e(n_e \mu_e + n_h \mu_h)$，其中 $n_e$ 和 $n_h$ 分别为电子和空穴浓度。

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56．对于本征半导体而言，电导率表达式可以如何简化？
$\sigma = e n_i (\mu_e + \mu_h)$，其中 $n_i$ 为本征载流子浓度。

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57．电子和空穴的迁移率大小关系？
$\mu_e > \mu_h$（电子迁移率通常高于空穴）。

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58．根据电导率关系式 $\sigma = \sigma_0 e^{-E_g/(2k_B T)}$，如何测得半导体材料的带隙？
通过测量 $\ln\sigma$ 与 $1/T$ 的斜率，斜率 $= -E_g/(2k_B)$。

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59．单晶硅片的生产，经历了由石英矿石到（硅砂）、（冶金级硅）、（高纯度多晶硅）、单晶硅片，对应的加工工艺分别是（化学提纯）、（还原冶炼）、（Czochralski法或区熔法）。

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60．对本征硅掺杂磷和硼，分别会获得什么类型的掺杂半导体？
磷：n型；硼：p型。

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61．常见的本征硅掺杂工艺有哪三种？如果对整个基底开展均匀掺杂，应采用哪种方式？
扩散法、离子注入法、外延法；均匀掺杂采用扩散法。

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62．磁场中的B、H、M分别代表什么？
B：磁感应强度；H：磁场强度；M：磁化强度。

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63．磁感应强度和磁通量的关系是什么？
$\Phi = B \cdot A$（A为面积，B垂直于A）。

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64．磁矩的定义是什么？物质中的磁矩来源是什么？
定义：$\mu = I \cdot A$（I为电流，A为回路面积）；来源：电子轨道磁矩和自旋磁矩。

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65．磁矩和磁化强度的关系是什么？
$M = \frac{\sum \mu}{V}$（单位体积内的总磁矩）。

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66．材料被磁化时，磁矩和磁化强度出现了何种变化？
磁矩有序排列，磁化强度增大。

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67．材料磁化时伴随了何种电流的产生？分布在材料的什么位置？
束缚电流（磁化电流），分布在材料表面。

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68．材料在磁场中的磁感应强度由哪两部分组成？
$B = \mu_0 (H + M)$。

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69．材料在磁场中的磁感应强度和所处环境的磁场强度如何联系？
$B = \mu_0 \mu_r H$，其中 $\mu_r$ 为相对磁导率。

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70．按照磁化率大小，物质可以分为哪五类？其中磁化率小于零的有几种？
抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性；磁化率小于零的有1种（抗磁性）。

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71．抗磁性的起源是什么？什么样的物质具有抗磁性？
外磁场诱导电子轨道运动变化；所有物质均有抗磁性，但仅在无其他磁性时显著。

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72．顺磁材料的磁化率与温度的关系是什么？
$\chi \propto 1/T$（居里定律）。

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73．画出铁磁材料的磁滞回线，并标注关键点：剩磁、矫顽力
（示意图略，剩磁为回线与B轴的交点，矫顽力为回线与H轴的交点。）

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74．磁致伸缩效应是什么？
材料磁化时发生形变的现象。

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75．铁磁材料被磁化时，会向外部吸热还是放热？为什么？
放热；磁畴取向趋于有序，熵减少，能量以热释放。

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76．铁磁材料的各向异性有哪两种？
磁晶各向异性、形状各向异性。

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77．当原子间键和作用使原子磁矩正向平行排列时，为何种材料？反之为？
正向平行：铁磁材料；反向平行：反铁磁材料。

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78．铁磁材料和反铁磁材料能否向顺磁材料转变？触发条件是什么？
能；温度超过居里温度（铁磁）或奈尔温度（反铁磁）。

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79．画出五种磁响应材料的磁矩排列示意图
（示意图略，包括铁磁、反铁磁、亚铁磁、顺磁、抗磁排列。）

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80．硬磁材料和软磁材料最核心的区别是什么？画出二者的磁滞回线
区别：矫顽力大小（硬磁高，软磁低）；磁滞回线中硬磁回线宽，软磁回线窄。

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81．扬声器中被线圈缠绕并往复运动的动铁应该用硬磁材料还是软磁材料？
软磁材料（易磁化和退磁，响应快）。

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82．永磁体在直流无刷电机和直流有刷电机中分别作为定子还是动子？
无刷电机：定子；有刷电机：动子。

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83．电动机中对硬磁材料的居里点、矫顽力、剩磁分别有何需求，为什么？
高居里点（耐高温）、高矫顽力（抗退磁）、高剩磁（强磁场）。

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84．最大磁积能描述了硬磁材料的什么性质？量纲是什么？
储能密度，量纲为 $\text{J/m}^3$ 或 $\text{T} \cdot \text{A/m}$ 。

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85．开展磁屏蔽应该使用硬磁材料还是软磁材料？
软磁材料（高磁导率，引导磁场绕过屏蔽区域）。

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86．列举三项硬磁材料在数据存储磁盘中的应用。
磁记录层、永磁电机、磁头定位。

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87．对磁存储介质材料，对其磁性质有哪些要求？
高矫顽力（抗干扰）、高剩磁（信号强）、低磁滞损耗。

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88．对数据写入磁头材料，对其磁性质有哪些要求？
高饱和磁化强度、低矫顽力、高磁导率。

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89．读出右图中存储的数据形式 0100110
（需参考具体磁化方向图，通常对应二进制编码。）

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90．处于磁场中的电流载体，霍尔电势的稳定来自哪两种力的平衡？
洛伦兹力与电场力。

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91．霍尔元件材料的霍尔系数可以写为哪两种形式？
$R_H = \frac{1}{nq}$ 或 $R_H = \frac{\mu_H \sigma}{B}$（$\mu_H$为霍尔迁移率）。

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92．除提高材料的霍尔系数外，霍尔元件的灵敏度还与什么有关？
元件厚度（灵敏度 $S \propto R_H / d$）。

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93．判断题：根据公式 $U_H = K_H I B \cos\alpha$ 可知，基于霍尔器件的电流表（钳形表），是通过霍尔器件中电流变化引起的霍尔电压变化实现电流无损测量的。
错误（钳形表通过测量被测导线磁场，无需直接通电）。

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94．巨磁阻效应出现于铁磁材料和（非磁性）材料（交替）排列的多层结构中，当铁磁材料的磁化方向一致时，器件整体电阻（降低）。

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95．巨磁阻器件中两层铁磁材料之间的差异是什么？如何实现？
磁化方向差异；通过不同矫顽力或外磁场调控。

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96．当需要感知的磁场方向垂直于器件平面时，应使用磁阻元件还是霍尔元件？
霍尔元件（磁阻元件对平行磁场更敏感）。

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97．超导量子干涉器件的工作原理包含了哪些量子机制？
约瑟夫森效应、磁通量子化。

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98．超导量子干涉器件实现了什么功能？输入和输出分别是什么？
功能：超高灵敏度磁测量；输入：磁通量；输出：电压或电流信号。

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99．列举超导量子干涉器件的两种应用
医学磁共振成像（MRI）、地质勘探、量子计算。

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