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第49章 超导材料

科学的魅力在于发现。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℃,凝固成一条水银线;然后,再在水银线中通上电流,并一步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,电流在导线中畅通无阻,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。有人就做了这样的实验: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月开始,在和外界隔绝的情况下,一直到1956年9月,铅环中的电流数值没有变化,仍在不停地循环流动。超导现象由此而得到认可。昂尼斯也因为其在超导方面的卓越贡献,获得了1913年的诺贝尔物理学奖。

此后,人们陆续发现28种元素和很多种合金及化合物在低温下都具有超导现象,但是临界温度比较低,最高的是1973年发现的铌三锗合金体系,临界温度为23.2K。1986年,奇迹出现了,德国和瑞士物理学家柏诺兹和缪勒居然发现钡镧铜氧化物陶瓷也有超导现象,而且临界温度为35K,比金属单质和合金一下子提高了近12K,打破了原本人们头脑中陶瓷不导电的观念,这种情况引起了科学家对氧化物陶瓷高温超导体的极大兴趣和高度重视。1986年底,中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的镧锶铜氧化物陶瓷。1987年,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93K的铱钡铜氧化物陶瓷。1988年,中国科学院发现了超导临界温度为120K的钙钛钡铜氧化物陶瓷。这些成就表明我国高温超导材料的研究已名列世界前茅。为什么超导体在临界温度以下会具有零电阻特性呢?以金属为例,我们知道,常温下金属的原子失去外层电子成为正离子,规则排列在晶格的结点上,作微小振动。而摆脱束缚的自由电子则无序地充满在正离子周围,形成所谓“电子云”。在一定电压的作用F,自由电子作定向运动形成电流,在运动中受到阻碍。而随着温度不断地下降,当降至临界温度以下时,自由电子将不再完全无序地“单独行动”。由于晶格的振动,每两个电子将“手挽手”地结合成“电子对”,温度愈低,电子对愈多,结合愈牢固,不同电子对之间相互的作用力愈弱,对电流阻碍作用愈小。这是许多科学家对金属超导现象做出的解释。但是,陶瓷超导体的发现又进一步引起人们不断去深入探索超导的奥秘,目前对于陶瓷超导的理论解释尚未有统一的认识。更有科学家预言,常温超导体的出现将是自然科学的又一次伟大突破。读到这里,你是否也抱着欣喜的心情而跃跃欲试呢?

超导体的另一个奇妙的特性是抗磁性,也叫迈斯纳效应。即在磁场中,一个超导体只要处于超导态,则它内部产生的磁化强度与外磁场完全抵消,从而内部的磁感应强度为零。人们正是利用超导体的完全抗磁性,研制成功了高速超导磁悬浮列车。

1966年,美国首先提出制造超导磁悬浮列车的设想。此后,美国,以及英国、日本、德国等国家都进行了开发和研制。目前,日本、德国的超导磁悬浮列车已在实验室研制成功,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分钟。也许读者要问,在上海新近建成的世界上第一条商业化磁悬浮列车线是不是运用超导磁悬浮的机理呢?不是的!它是直接利用交流电形成的电磁体与列车上的磁铁相互作用产生的排斥力使得车体悬浮于轨道之上行进的,尚未运用到超导磁体。

超导现象的最直接、最诱人的应用是用超导体制造输电电缆。因为超导体的主要特性是零电阻,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。目前,第一代超导线材——铋氧化物线材已达到商业化应用水平。用超导线圈通以电流制成的超导磁场更是正在成功应用于制造超导发电机上,其输出功率是传统发电机的20倍以上,可超过2000万千瓦。另外,在电磁信号的检测方面,超导量子干涉仪可以检测到地球磁场的儿十亿分之一,在人体心磁和脑磁的医学研究方面有着巨火的潜力。

将来,随着超导基础理论的发展,超导材料的进一步商业化应用,超导材料还可以用于制造威力无比的快速激光炮、具有人工智能的超导电子计算机、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。为此人们正在开拓思路,扩大视野,不断学习和研究。亲爱的朋友,还有更多奇妙的用途等着你去发现呢!