超导材料是一种没有电阻的材料,既能节能,减少电能因电阻而消耗的能量,也能把电流储存起来,供急需时使用。
自从世界上以电力作为主要动力以来,就遇到两个令人头痛的问题,一是在输送电流时,不少电力因导线有电阻而发热,白白损失了相当多的电能。
另一个问题就是,白天的电力常常严重不足,而深夜的电力又大大富余,搞得发电机白天超负荷运转,深夜时却空转,电力白白浪费。
于是,能不能把夜间富余的电力储存起来以弥补白天电力不足的问题,就成了一大难关。20世纪90年代之前,大多是采用“抽水蓄能”的办法,即在电力富余的时间里,用多余的电力把处在位置较低的水库的水,抽到一个位置较高的水库内,等到电力不足时,立即从高位水库放水,进行水力发电,以保证电力系统正常运转。早在1892年,欧洲就建立了第一座抽水蓄能电站。到1989年,世界上至少有200多座这种电站分布在60多个国家和地区。我国在广州和北京十三陵也建立了两座大型的抽水蓄能电站。
但这种方法有不少缺点。一是抽水时本身要消耗大量电力,蓄能效率只有70%。而且建立高位水库占地面积大,每蓄存1000千瓦小时的电,需要建1400立方米的水库,而且这种方法调节电力余缺的反应速度慢。从缺电信号发出到蓄水池发电,通常要经过15分钟。这种速度很难满足现代的许多特殊用电要求,尤其是战争中需要快速反应时,蓄水发电常常延误战机。
1987年,美国国防部为适应“星球大战”的需要,决定建立一个用超导材料储电的蓄能装置,在和平时期可向居民供电,在导弹袭来时,可为激光武器供电,用激光摧毁导弹。
因为超导材料没有电阻,它的蓄能效率高,可以回收98%的多余电力。
超导材料为什么能储电呢?原因就在于它没有电阻,只要把电“注入”
超导线圈,电流就可以无休止地在线圈中流动也不会有损耗。
超导材料的发现和发展
在地球上,所有的元素和材料都有电阻,就是导电性最好的银、铜、铝也不例外。那么没有电阻的超导材料又是怎么发现的呢?
那是1911年,许多科学家发现,金属的电阻和它所处的温度条件有很大关系。温度高时它的电阻就增加,温度低时电阻减少。并总结出一个金属电阻与温度之间的关系的理论公式。这时,荷兰物理学家昂尼斯为检验这个理论公式是否正确,就用水银做试验。他把水银冷却到—40℃时,亮晶晶的液体水银像“结冰”一样变成了固体,然后,他把水银拉成细丝,并继续降低温度。同时测量不同温度下固体水银的电阻,当温度降到4K时,一个奇怪的现象发生了,水银的电阻突然变成了零。开始他不太相信这一结果,于是反复试验,但都是一样。这一发现轰动了世界的物理学界,后来科学家把这个现象叫超导现象,把电阻等于零的材料叫超导材料。
昂尼斯和许多科学家后来又发现了28种超导元素和8000多种超导化合物材料。但出现超导现象的温度大多在接近绝对零度的极低温,没有什么经济价值,因为制造这种极低温本身就很花钱而且很困难。
为了寻找在比较高的温度下没有电阻的材料,世界上无数科学家奋斗了近60年,也没有取得什么进展。直到1973年,英美一些科学家才找到一种在23K时出现超导现象的铌·储合金。此后这一记录又保持了10多年。
到1986年,在瑞士国际商用公司实验室工作的贝特诺茨和缪勒从别人多次失败中吸取了经验,放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念,解放思想,终于发现一种镧铜钡氧陶瓷氧化物材料在43K这种较高的温度出现超导现象。这是一个了不起的成就,因此,他们两人同时获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
此后,美籍华人学者朱经武,中国物理学家赵忠贤在1987年相继发现了在78.5K和98K时出现超导现象的超导材料。这样,超导材料就可以在液氮中工作。
更令人振奋的是,1991年美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C60在掺钾、钯、钕等元素后,也有超导性。有些科学家预料,球状碳分子C60经过掺金属后,将来有可能在室温下出现超导现象。那时,超导材料就有可能像半导体材料一样,在世界引起一场工业和科技革命。因为没有电阻的材料用途极为广泛。用它输送电流不会损耗电力,用它作发电机可以做得很小,例如一台普通大型发电机需用15~20吨铜丝烧成线圈,如果用超导材料作线圈,只要几百克就够了,而发出的电力却一样。因此,超导材料是最好的能源材料。