超导现象:低温下的“魔术”

绚丽多彩的世界中存在着形态各异的物质,我们可以按照不同的属性,对这些千姿百态的物质分类。 我们知道,通常情况下各种物质均有电阻,且各有固定的电阻率,电阻率的倒数称为电导率。

不必说空气有电阻,就是铁、钨甚至是被称为良导体的铜、银等金属也有电阻。 有些不能通过电流的物质,例如玻璃、橡皮、塑料等具有很大的电阻,人们称之为绝缘体。

导体是指电阻较小、电流能通畅流过的一类物质,如银、铜、铁等金属材料。 有一类物质的导电能力介于导体和绝缘体之间,如锗、硅以及大多数金属氧化物、硫化物等,它们被称为半导体。

由于电阻的存在,电荷在通电导线中流动时会遇到阻力,从而产生热的损耗。 因此,科学家们梦寐以求的是,找到完全没有电阻的物质。

1911年,荷兰科学家昂乃斯把稀有气体氦液化后,得到了极低的温度——零下269摄氏度(4.2开尔文),昂乃斯立刻用水银做了低温下的通电实验。 奇怪的是,那冻成了导线的水银居然失掉了电阻!

这个实验震动了物理学界,人们把这种低温下电阻为零的现象叫做“超导现象”,把那些可以产生超导性的材料称为“超导体”,把产生超导现象的温度叫“临界温度”,也叫“转变温度”。

1954年,有人利用超导体做了持续电流实验。 这是在电磁感应实验的基础上设计出来的,人们使超导环通过电磁感应产生电流,然后把实验仪器封闭。 两年后人们打开仪器检测,发现超导体里的电流居然没有减弱。

超导体魔术般的表演引起了人们的无数遐想,利用超导体送电的超导电缆已经出现。 利用超导体储存电能的超导储能器能在瞬间释放出极强的电能,这种储能器为激光技术提供了储能条件。 它可将强电流存储在超导线圈之中,然后启动开关,一瞬间便会释放出巨能,从而发出强大的激光。

我们知道,电和磁是孪生兄弟,用超导体做的超导磁体可以得到极强的磁场。 因为超导线圈没有电阻,超导磁体可以比普通电磁体轻得多:几千克的超导磁体抵得上几十吨常规磁体产生的磁场。 这将给电力工业带来一系列变革,发电机会因使用超导体而提高输出功率几十甚至上百倍;已试制出来的圆盘式半超导电动机,体积和50马力常规电动机差不多,功率却高达1 000马力。

由于超导体的转变温度颇低,这就为它的普及带来了困难。 因此,制造转变温度高的超导材料便成了各国科学家的奋斗目标。 最近,我国和瑞士、日本等国科学家分别突破了超导转变温度的大关,较高温度下的超导体即将进入实用阶段。

【科学小链接】

磁悬浮列车

超导奇迹中最诱人的要算超导磁悬浮列车了。 这种列车利用超导磁体产生的强大磁场,使车与轨道间形成巨大的斥力,把列车凌空托起,从而消除了摩擦阻力。 在真空隧道中飞驰的超导磁悬浮列车时速可达 1 600 千米,其速度超过了一般的民航飞机,它将使人类的交通状态进入一个新时代。

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