神奇的超导体

神奇的超导体

原始人类学会利用火，成为了人类进化使上的里程碑；人类学会利用电，现代工农业生产、国防建设、科学研究和日常生活水平，都取得了长足的进展。电可以说是人类征服自然、改造自然的重要工具。但是电从发电厂发出来，向各个地方传输的过程中，却受到了来自导线电阻的阻碍作用。电流克服电阻需要消耗能量，这部分能量以发热的形式，白白地损失掉了，有时热还会影响到电气设备中的元件以及周围的精密器械。给人们带来很大的不便，那能不能制作出没有电阻的导线呢？

1911年的一天，荷兰莱顿大学的物理实验室里，昂尼斯教授正在专心致志地研究水银的低温性能。他先将水银冷却到－40℃，液体水银便凝固成一条水银线；然后，再在水银线中通以电流，并一步一步地降低水银的温度，当温度降低到－269．03℃，也就是绝对温度4．12K时，奇迹出现了：水银的电阻突然消失了。这意味着，电流在零电阻的导线中可以畅通无阻，不再消耗能量，如果电路是闭合的，电流就可以永无休止地流动下去。有人做过这样的实验：将一个铅环冷却到绝对温度7．25K以下，用磁铁在铅环中感应生成几百安培的电流。从1954年3月16日开始，在和外界隔绝的情况下，一直到1956年9月5日，铅环中的电流数值没有变化，仍在不停地循环流动。人们把这种零电阻现象称为超导现象。凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。无论哪一种超导体，只有当温度降到一定数值时，才会发生超导现象。这个从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度。由于昂尼斯在超导方面的卓越贡献，他获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

到目前为止，人们已经陆续发现几十种单质和几千种合金及化合物都具有超导现象，而且超导临界温度的记录也在不断的升高。1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23．2K。1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视。1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48．6K的锶镧铜氧化物。1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物。1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅。

为什么导体会出现超导现象呢？目前许多科学家对超导现象作出如下解释：在常温下金属导体的原子因失去外层电子成为正离子。正离子按规则排列在晶格的结点上，做微小的振动。摆脱了束缚的自由电子无序地充满在正离子周围，形成所谓“电子云”。导体在一定电压作用下，自由电子作定向运动就成为电流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。随着温度不断地下降，降至超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”。由于晶格的振动作用，每两个电子结合成“电子对”，温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，重新失去了超导性。他们把这种有秩序的电子对在超导体中特殊的运动状态，作为引起超导性的根本原因。随着科学永无止境发展，高温超导体随之而来，又进一步引起人们不断去深入探索超导的奥秘。

我国目前约有15%的电能损耗在输电线路上，每年损失的电能达到900多亿千瓦时。如果改用超导体输电，它零电阻，因而允许在较小截面的电缆上输送较大的电流，而且基本上不发热和不损耗能量，就能大大节约电能，缓解日益严重的能源紧张。

但是要进行超导输电，必须解决两方面问题。首先必须选择好制造电缆的超导体，其次要保证电缆处于超导临界温度以下的低温。超导体必须在其临界温度以下工作，否则随着温度的升高，超导体也就不在超导了。高温超导陶瓷的发现，引起了1987年的全世界“超导热”。人们把注意力转向高温超导陶瓷的研究和应用。

自从超导临界温度突破77K（－196．15℃）以来，科学家正在努力使超导临界温度进一步升高，甚至可以达到常温，以便可以被广泛的应用。目前有些科学家提出用氟、氮、碳部分取代氧，用镝、钬、铕取代镧，或在钡钇铜氧化物中加钪、锶和其他金属元素，将有可能进一步提高超导临界温度。

超导体还可用于制造超导通信电缆。人们对通信电缆的主要要求是信号传递准确、迅速，容量大，重量轻，超导通信电缆正好能满足上述要求。因为超导通信电缆的电阻接近于零，允许用较小截面的电缆进行话路更多的通信，这样就可以降低超导通信电缆的自重，节约超导体材料，更主要的是超导通信电缆基本上没有信号的衰减，不论距离远近，接收方都能准确无误地收到发出方发出的信号，所以在线路上不必增设中间放大器，就能进行远距离通信。

用超导体制造雷达天线、导航天线、通信天线和电视天线，可使天线的损耗电阻减小几个数量级，而天线辐射效率可增加几百倍或更多；还可减少各种干扰信号，使天线发射和接收信号的能力大大提高。尤其重要的是，这将改变传统天线庞大、笨重的外观，做到小型化、轻型化，以满足军事上或其他的特殊需要。

将超导体做成线圈，由于它的零电阻特性，故可在截面较小的线圈导线中，通以大电流，形成很强的磁场，这就是超导磁体。超导磁体的磁场强度可达15～20万高斯，重量却不超过数十千克，而用普通导线绕制成的电磁体要产生10万高斯的磁场已经非常困难。磁场强度为5万高斯的常规电磁体重达20吨，而达到同样的磁场强度，超导磁体的重量还不到1千克。超导磁体的另一个优点就是不产生热量，不消耗电能，只要通入一次电流就可以经久不息地流动下去，不需要再补充电能。超导磁体唯一需要的能量就是把环境温度维持在超导临界温度以下的能量。例如，美国造出一台10万高斯的常规电磁体，耗电达1600千瓦，每分钟还要用4500升水冷却，而日本制造的一台17．5万高斯的超导磁体，总共耗电才15千瓦，其中包括13千瓦的冷却消耗。

超导磁体正成功地应用在制造超导发电机上。超导发电机的构造与常规的同步发电机大致相同，一般都由定子和转子两部分组成。所不同的是，超导发电机的定子线圈和转子线圈都是用超导体制成的。转子一般由水轮机、汽轮机、内燃机等发动机带动。当直流电通入超导转子线圈后，由于转子线圈处于零电阻状态，故电流很大，从而形成一个很强的旋转磁场。超导定子线圈在这个转动的磁场中不断切割磁力线，产生电压，输出功率极大的电能。常规的发电机最大输出功率很少超过150万千瓦，原因是转子线圈产生的磁场强度有限，而定子线圈中电流过大会导致严重发热，影响发电机正常工作。超导发电机比常规发电机提高输出功率20倍以上，可超过2000万千瓦。此外，超导发电机还能减少能量消耗，节约原材料和降低成本。例如，一台6000千瓦的常规发电机重370吨，同样功率的超导发电机仅重40吨，可以降低成本50%左右。

超导磁体还能制造磁流体发电机。所谓磁流体发电，是将火力发电产生的高温气体变成等离子气体，再高速喷入发电通道，使发电通道中的磁力线受到切割，在等离子气体中产生感应电动势，把气体离子推向发电通道两侧的电极，在外回路中产生电流，热能就这样直接转化为电能。磁流体发电机如用超导磁体来产生发电通道中的强磁场，与常规发电机联合使用，可把热效率从20%～40%提高到50%～60%，节省1/4～1/3的燃料。此外，它还具有重量轻、体积小、启动快、不污染空气等优点。

1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，则在材料电阻消失的同时，磁感应线将从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象称为超导体的抗磁性，也叫做迈斯纳效应。超导现象中的迈斯纳效应使人们想到可以用超导体来实现交通车辆的无摩擦运行，这将会大大提高列车的速度和高安静性能。磁悬浮列车就是一个很好的例子。

1966年美国首先提出制造超导磁悬浮列车的设想。此后英国、日本、德国、瑞典等国家都进行了开发和研制。超导列车是在车上安装强大的超导磁体，地上安装一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体在地上的线圈中感应起相反的磁极，使两者的斥力将车子浮出地面。目前日本、德国的超导磁悬浮列车已投入运行，车速高达500千米/小时。乘坐这种超导磁悬浮列车，从上海到北京，只需要2小时48分。

那么，这种列车是怎样悬浮起来的呢？原来，在每节车厢的底部都安装了超导磁体，在列车行进的路面上埋有许多由闭合的矩形铝环组成的铝轨，在超导磁体的线圈中通入电流就会产生很强的磁场。列车开动后，超导磁体相对于铝环运动，在铝环里感应出一股很大的电流，并相应形成极强的磁场。铝环产生的磁场与车上超导磁体的磁场方向相反，相互排斥。也就是说，超导体的完全抗磁性，使车上的超导磁体受到地面铝环的向上托力。当车速大于每小时150千米时，托力大于列车自重，就使列车浮起，车速愈高，托力愈大。当列车停下时，由于铝环中没有感应电流，也就不能产生磁场，所以在开车启动和减速停车时有一段时间仍需用车轮在轨道上运行。

威力无比的快速激光炮、具有人工智能的电子计算机、能明察秋毫的电子显微镜、先进医疗器械核磁共振诊断摄像机等等，也都少不了超导体的参加。随着人们思路的开拓，视野的扩大，经过不断的学习和研究，超导技术定有广阔的前景。