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第33章 托起空中的列车——低温超导

磁悬浮列车的建造,标志着超导技术的应用进入到一个更加广阔的阶段。有关专家预言,超导技术将在21世纪占有更加重要的地位。

超导是某些金属或合金在低温条件下出现的一种奇妙现象,是由荷兰的物理学家卡麦林·昂纳斯最先发现的。

1908年,昂纳斯进行了“极低温下金属电阻随温度变化规律的研究”。他吃惊地发现水银在温度降至氦的沸点即4.2K时(相当于269℃),电阻竟意外地消失了。

几经测定,最后昂纳斯确信,水银在4.2K下会产生一种新的导电特性——“零电阻性”或“超导电性”。1911年4月28日,昂纳斯公布了这一发现,并在随后几篇论文中明确指出,某些材料在一定温度下能进入一种电阻为零的新物态。他将这种新物态命名为“超导态”,同时把具有从正常态转变为超导态能力的材料称作“超导体”,把能使超导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度称为“临界温度”。

昂纳斯的这一发现轰动了全世界的科学家,大家纷纷实验,并且想要揭开超导的奥秘,因为只有了解了超导现象的微观机理,才能使超导为人类做出更大的贡献。

现在,科学家已发现有上千种元素和化合物在低温下可以转化为超导态。对所谓“零电阻性”也已有共识:超导体即使有电阻,它的电阻率必然小于10~26欧·米,而且只对直流电适用,若给超导体通入交流电,它仍会出现类似于常规电阻的“交流损耗”。从这个意义上讲,超导体似乎可以说是一种直流理想导体。

然而,随着时间的推移,人们发现超导体所呈现的特性扑朔迷离,远非当初所想象的那样简单。首先,人们发现了超导态的完全抗磁性——“迈斯纳效应”。

1933年荷兰瓦尔特·弗瑞兹·迈斯纳和奥森菲尔德两人通过一个超导锡球实验观察到,无论是将锡球先降温后加磁场,还是先加磁场后降温,只要锡球进入超导态,就一定具有完全抗磁性。人们通常将这一现象称为“迈斯纳效应”。

完全抗磁性是不是与零电阻性有关系呢?答案是否定的。科学家指出,完全抗磁性和零电阻性是超导体的两个相互独立的性质,因此从更严格意义上讲,超导电性应该包括这两种特性,而超导体也绝非通常所说的理想导体。

进一步的实验还发现要使物体从正常态向超导态转变必须提供相应的温度、电流密度和磁场强度的临界条件,这三个条件分别称作“临界温度”、“临界电流密度”和“临界磁场强度”。对于不同超导体,这三个临界参数是不同的。

在实用方面,科学家也在不断探索。虽然1985年,超导材料的转变温度的最高记录只为23.2K。而从1986年开始,超导材料的转变温度有了突飞猛进的提高,先后获得了30K、100K、180K、270K的性质稳定的超导材料。这为磁悬浮列车的制造提供了可能。