科學(xué)的明珠——超導(dǎo)

索鴻英

19世紀(jì)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些金屬導(dǎo)體的電阻會(huì)隨著溫度的降低而變小.于是，人們提出這樣的問(wèn)題:溫度要降到多低，導(dǎo)體的電阻才能變成零?

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)，水銀在-269 °C(絕對(duì)溫度4.2 K左右)時(shí)電阻完全消失，這是人類低溫物理研究取得的里程碑式的成就.1913年，他在諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)演說(shuō)中激動(dòng)地說(shuō):“這種電阻消失不是逐漸地，而是突然地消失.”這樣，水銀在溫度達(dá)4.2 K時(shí)進(jìn)入了一個(gè)新的狀態(tài)，由于它的特殊性能，可以稱之為超導(dǎo)態(tài).人們通常把這個(gè)電阻突然消失的溫度稱為臨界溫度.后來(lái)人們研究發(fā)現(xiàn)鉛?錫和鋅等金屬都具有超導(dǎo)性，而鐵?鎳?金和銅等金屬不具備超導(dǎo)性，于是人們把具有超導(dǎo)性的金屬及其化合物統(tǒng)稱為超導(dǎo)體.

超導(dǎo)體有哪些特殊性能呢?它除了導(dǎo)電時(shí)電阻為零外，對(duì)磁場(chǎng)也很敏感.主要表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗磁性，即它不允許磁感線穿過(guò)內(nèi)部.這里介紹一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn):在常溫下把條形磁鐵放入錫碗內(nèi)，磁鐵會(huì)靜靜地躺在碗底.但是當(dāng)把這只錫碗溫度降到4.2 K時(shí)，磁鐵會(huì)騰空懸浮在碗的中央.這是因?yàn)樵?.2 K時(shí)錫碗變成了超導(dǎo)體，它不允許磁鐵的磁感線穿過(guò)，于是產(chǎn)生的排斥力使磁鐵懸浮起來(lái).

利用超導(dǎo)體的特殊性能，人們創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)奇跡.由于超導(dǎo)體中電阻為零，電能沒(méi)有損耗，因此可以用細(xì)導(dǎo)線輸送大電流.用超導(dǎo)體材料制造發(fā)電機(jī)，可以使單機(jī)容量成百倍地增加，而且超導(dǎo)體發(fā)電機(jī)重量輕，體積小，效率高.常規(guī)高壓輸電，要采用價(jià)格昂貴?體積龐大的變壓器.而采用超導(dǎo)體的發(fā)電機(jī)，可以大幅度地提高發(fā)電機(jī)的輸出電壓，省掉變壓器等變電裝置，將電力直接并入電網(wǎng)，送到很遠(yuǎn)的地方去.

利用超導(dǎo)體的抗磁性，人們發(fā)明了磁懸浮技術(shù)，造出了磁懸浮列車(chē)，顯著地提高了列車(chē)的運(yùn)行速度.磁懸浮列車(chē)靠超導(dǎo)線圈中強(qiáng)大電流產(chǎn)生的電磁力懸浮在鋁軌上，它的時(shí)速可達(dá)到500 km以上，相當(dāng)于中速飛機(jī).如果從上海到北京，磁懸浮列車(chē)只需要兩個(gè)多小時(shí)就可以到達(dá).用超導(dǎo)磁力裝置代替輪船上笨重的螺旋槳，可以加快船速.

在電子計(jì)算機(jī)中使用超導(dǎo)材料，可以使電子計(jì)算機(jī)速度提高近千倍.在高能物理研究中，利用超導(dǎo)材料可以造出更高能量的加速器，探索微觀世界的奧秘.在國(guó)防上利用超導(dǎo)材料可以制造巨大的儲(chǔ)能器，為激光武器提供可靠的能源，這種電磁激光武器可以使敵人的導(dǎo)彈?飛機(jī)和坦克頃刻間灰飛煙滅!

人們稱“超導(dǎo)是當(dāng)代科學(xué)的明珠”，世界上有二百多個(gè)實(shí)驗(yàn)室在加緊研究超導(dǎo)課題.我國(guó)是在20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究超導(dǎo)的，取得了許多世界矚目的成就.早在1987年，中國(guó)科學(xué)院科學(xué)家趙忠賢就獲得了臨界溫度為78.5 K(-194.5 °C)的超導(dǎo)材料，躋身于當(dāng)時(shí)世界先進(jìn)行列.1992年，北京大學(xué)在世界上首次用非金屬摻雜，制成了摻錫碳-60超導(dǎo)體.碳-60由60個(gè)碳原子組成，形似足球，又稱為“足球烯”，臨界溫度是-236 °C.中國(guó)工程院院士周廉教授研制成功的鈮三錫超導(dǎo)材料列入世界最佳性能行列.

武漢科技人員繼美?英之后制造出300 kW超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，這是世界高新技術(shù)的又一光輝成果.2000年開(kāi)始，我國(guó)上海開(kāi)始規(guī)劃建造世界上第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的磁懸浮列車(chē)，在不到兩年時(shí)間里建造成功，它全長(zhǎng)30 km，最高運(yùn)行速度可達(dá)431 km / h，具有速度快?能耗低?噪聲小?無(wú)污染?安全性能高等優(yōu)點(diǎn).2001年，清華大學(xué)研制長(zhǎng)為340 m的鉍系37芯高溫超導(dǎo)導(dǎo)線成功，標(biāo)志我國(guó)已掌握世界先進(jìn)水平的超導(dǎo)線材產(chǎn)業(yè)化技術(shù).2004年，上海電纜廠和北京云電英納超導(dǎo)電纜公司聯(lián)合制成的第一組超導(dǎo)電力電纜在昆明普吉變電站一次并網(wǎng)成功，這標(biāo)志我國(guó)超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)獲得重大突破.我國(guó)有可能建設(shè)世界上首條“超級(jí)能源公路”，即建設(shè)零損耗超導(dǎo)輸電網(wǎng).

科學(xué)家預(yù)言:2012年，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等設(shè)備將得到普及;2017年，室溫超導(dǎo)體將開(kāi)發(fā)成功;2020年，將實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)遠(yuǎn)距離輸電.在超導(dǎo)研究中，我國(guó)已顯露頭角，正在為世界文明不斷作出新的杰出貢獻(xiàn).

責(zé)任編輯蔡華杰