超导磁体究竟是什么神奇的东西呢?

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超导磁体究竟是什么神奇的东西呢?插图

1979年,超导悬浮列车在日本试车成功。从此,铁路交通工具的传统技术观念被突破了,铁路交通史上出现了新的奇迹,因为这种列车没有车轮,全靠磁力推动。它的时速是180公里,列车开动时好像飘浮起来一样,一点也没有震动。

当人们看到这个车宽3米,长22米,高3.7米,重27吨的庞然大物悬浮着飞驰时,一定会惊讶是什么神奇的力量把它托举起来的。这就是超导磁体的功劳了。不仅如此,列车前进的动力靠的也是磁力。瞧,列车两边装着超导磁体,通电后产生磁力,轨道两侧排列着许多线圈,接通电流后也产生磁力。根据电磁感应的原理,电流方向改变,电磁的南北极也改变。同性相斥,异性相吸,所以两种磁力有时吸引,有时排斥,一推一拉,驱动列车前进。由于悬浮列车不产生摩擦力,所以从理论上说它的速度每小时可以达到500公里以上,接近中等速度的飞机。不过它是在陆地上跑的,比起飞机来可要安全得多了。磁悬浮列车高速、平稳、安全、无噪音,而且票价比飞机便宜,自然前景辉煌。科学家们预计21世纪的主要交通工具就是超导磁悬浮列车了。磁悬浮列车全靠超导磁体的功劳。那么超导磁体究竟是什么神奇的东西呢?

所谓超导磁体,指的是在一定条件下具有完全抗磁性和完全导电性的某些物体。

让我们使时光倒流,回到1911年夏日的一天。在荷兰莱登大学的低温实验室里,物理学家开默林·昂尼斯教授正带着他的学生研究在极低的温度下,金属的电阻会有什么变化。

他们把一根水银制成的电线放在低温下通电。水银在常温下是液态的,但在零下40℃以下就变成固态,可以制成电线了。那么为什么一定要用水银做的电线呢?因为做这个实验,有个先决条件,那就是金属要非常纯,如果有一点点杂质,电阻就测不准了。在当时的条件下,提纯水银相对容易些,要提纯别的金属,那就力不从心了。
昂尼斯教授一边指挥他的学生不断降低温度,一边叮嘱另一个学生观察电阻的变化。奇怪的现象出现了,当温度降到-269℃时,水银的电阻没有了。昂尼斯以为实验出了问题,命令学生再重复做几次,每次都得到一样的结果。昂尼斯教授欣喜若狂,他意识到这是个破天荒的重大发现。他把物质在低温状态下,电阻消失为零的现象叫做“超导电性”。后来人们把在低温状态下具有超导电性的材料叫做“超导体”。

超导磁体究竟是什么神奇的东西呢?插图(1)

1913年,昂尼斯由于他在超导研究方面的开天辟地的贡献而获得了诺贝尔物理学奖。学无止境,昂尼斯教授再接再厉。1914年,为了证明超导体的电阻确实为零,他设计了一个非常巧妙的实验。他用超导体制成一个圆环,放在磁场中,然后降温,再突然撤去磁场,由于电磁感应,超导体圆环内会产生电流。如果超导体内有电阻,电流就会慢慢减小,直至消失。反之,则电流会持续地流个不停。昂尼斯的观察持续了好几个月,圆环内的电流始终如一,丝毫也没有想停下来的样子。据说后来有人仿效昂尼斯的这个实验,整整观察了两年,圆环里的电流也没有丝毫减小。

这就是著名的“永久电流”实验。

电阻为零,这是超导体的第一个特性;它的另一个特性是完全抗磁,这个特性一直到昂尼斯发现超导体22年后,才被荷兰的另两位物理学家发现。
1933年,荷兰物理学家迈斯纳和奥森菲尔德做了这样一个实验:他们在一个由超导体铝制成的盘子上放上一小块磁铁,然后把盘子放在液体氦中。结果,磁铁竞像变魔术一样地漂浮起来了。这种现象后来被人叫做“迈斯纳效应”,它证明超导体具有完全抗磁性。

超导体要出现超导电性,必须要在非常低的温度下,这时的温度,科学家称为临界温度,用符号Tc来表示。科学家们测出各种超导体的临界温度是不一样的,比如铝是7.2K,锡是3.7K,钨是0.016K等等。”K”是英国物理学家开耳芬创立的绝对温标,也叫开氏温度。开氏零度等于-273℃,科学家称之为绝对零度,这时一切物质中的原子都冻结了。这样一算,铝的临界温度
7.2к,也就是-265.8℃。

超导体的奇异特性发现以后,科学家们纷纷对它进行研究,看谁能首先揭开它的秘密。

1933年底,在超导研究领域一直处于领先地位的荷兰,又有两位物理学家率先提出了一种理论,来解释超导体的秘密。戈特和卡西米尔解释说,在超导体中除了正常的电子外,还有一种超导电子。平时超导体中只有正常电子,所以它和正常导体一样,是有电阻的。当温度降至它的临界温度以下时,它就成了超导体,这时就出现了超导电子,温度越低,超导电子也就越多。这种解释,尽管还含糊不清,但毕竟是科学家探索超导秘密的最初的认识。

经过全世界许多物理学家近半个世纪的努力,1957年,美国物理学家巴丁、库柏和斯里弗三人,创建了被称为BCS的超导微观理论(BCS是他们姓名的第一个字母),他们认为超导电子其实是两个电子对。当超导体进入超导状态时,电子才能结成电子对,电子对又组成超导电流。BCS理论最终揭开了超导之谜,这三位科学家因而获得了1972年的诺贝尔物理学奖。

BCS理论揭开了超导之谜,科学家们总要想办法把它用到生产中去,为人类造福。其实,早在昂尼斯发现超导体以后,他就已经想过既然超导体没有电阻,通电流后不会发热,如果用它制成电磁铁,一定会产生很强的磁力。这样在3年以后的1961年,终于制成了世界上第一个磁力很强的超导磁体。之所以不称电磁铁而叫超导磁体,是因为它不用铁,而用别的材料制成线圈,又是在超导状态之下。

超导磁体不仅可以产生强大的磁场,而且具有体积小、重量轻、能耗小的三大优点。因此,科学家把超导体、半导体和激光列为20世纪三大技术革命。他们预言,超导体的应用将大大改变世界的面貌和人类的生活。

本文开头讲到的磁悬浮列车是超导技术在交通方面的应用。

根据同样的道理,也可以应用于水上交通。这样,电磁推进船和超导潜艇就应运而生了。电子推进船也可以叫超导船,它是在船体内安装一个超导磁体,产生磁场,在船体的两侧放入电极,在海水中感应产生强电流,在船尾的海水中电流和磁场发生作用产生推力,船便飞驶向前。超导船不用内燃机和螺旋桨,所以没有噪音和震动,船速可以在每小时150公里以上,无论从哪一方面来看,它都是现有的轮船望尘莫及的。同样的道理,要是做成潜艇,那就是超导潜艇了,它的优越性就可想而知啦!

超导体的特性都与电有关,它自然在电业上有着最为广泛的应用。首先,来看看超导体发电。由于超导磁体能产生很强的磁力,超导线圈又没有电阻,因而用它们制造发电机发出的电力特别大,可以比普通的发电机大上几十倍甚至上百倍呢!其次,来看看超导体贮电。就跟钱多了要存银行一样,发电厂发的电用不完,也要贮起来。现有的贮电办法有个很大的毛病,就是损耗很大。比如100度电,经过贮存,放出后只剩下50度了,很不合算。如果应用超导“永久电流”的原理制成的“超导能量贮存库”来贮电,电能只损失10%。最后,让我们再来看看输电。我们知道用导线输电的最大缺点是电力损耗大,因为再好的导体也有电阻,电能在输送过程中变成热能,消耗掉了。超导体没有电阻,用它来输电也就没有损耗。

超导体在医学上也大显神威。现在在一些先进的医院里有一种叫“核磁共振断层成像”的器械,有了它,不用 光电可以清楚地透视身体的内部,因而对人体没有丝毫损害。这种器械里面用的就是超导磁体。我们知道,人体内有一种生物电流,有电流就会出现磁场,这个磁场非常微弱,只有用非常精密的仪器才能够测出来。如果我们能够了解人体内磁场的变化及其规律,不就可以研究人体的秘密了吗?现在,科学家已经用超导结制成了这种精密仪器。所谓超导结就是在两个超导体中间夹一层薄薄的绝缘层,它具有收发报机一样的功能,医学家们用它来接收人体内的电磁信号,揭示人体的秘密。天文学家们还用它来接收其他星球发出的电磁波,探索宇宙的奥秘。

人们利用超导的特性还发展出一种叫做“磁分离技术”的新技术。“磁分离技术”有什么用呢?举例说,高压电线架上的高压瓷瓶应该是非常好的绝缘体,如果含有杂质,那就容易串电,要是高压线架带电,后果就不堪设想啦!可是制造高压瓷瓶的原料高岭土里是含有铁的杂质的,怎么把这些杂质去掉呢!应用超导体的“磁分离技术”就能吸住含铁的杂质,让不含铁的东西通过。另外,这项技术还被广泛地应用于选矿。选矿就是把含有不同金属的矿石分开来。因为不同的金属磁性不同,有些还不带磁性。让超导磁分离装置来干这活,真是得心应手。环保专家对这项技术也大感兴趣。因为如果让污染河水、湖水的污染物带有铁质,再用磁分离技术把带铁质的污染物和水分离开来,那么水不就变得洁净了吗?

武器制造专家们一直想利用超导技术研制电磁炮。1982年,世界上第一台电磁炮制成,它的炮弹发射速度是每秒4.2公里,比普通火炮快4-5倍呢!电磁炮是用强大的磁力来发射炮弹的,所以它发射时没有火焰,没有硝烟,没有巨大的声响,也没有后坐力,它的准确率和威力自然也无与伦比。

超导体的应用远不止这些,正因为这样,从1911年发现超导体至今的80多年中,超导体的研究和应用发展十分迅速。科学家们清楚地知道,影响超导技术发展的最大障碍就是低温。尽管在超导体发现后的半个多世纪里,科学家们发现了几十种超导材料,但它们都属于低温区超导体。制造这样的低温必须使用氮气,而氮气只占空气的0.0005%,提取氮气价格昂贵。要跨越这个障碍必须找到替代氮的东西,科学家选中了氮。氮占空气的4/5,真是取之不尽,用之不竭。可是液化氮只能制造出-196℃,也就是77K的低温。在这个温度下,现有的超导材料还不具备超导的性能呢。所以,各国科学家都把目光瞄准了寻找能在大于77K的高转变温区的超导体。直到1973年,科学家们找到了一种叫铌三错的材料,它的转变温度是23.2K。从1911年的4.173K到1973年的23.2K,平均每三年提高1K,日本科学家因此预测,要想得到77K的超导体,在21世纪前20年只能是梦想。

然而,美籍华裔科学家朱经武和吴茂昆却将人类的梦想提前变成了现实。

朱经武的研究小组和吴茂昆的研究小组,从1982年开始,就合作进行超导研究。1986年1月27日,两位瑞士科学家柏诺兹和缪勒发现一种陶瓷性材料,在30K左右出现超导状态。这是一个新的突破,他们两人因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。受这研究成果的启发,朱经武在1986年12月15日宣布,他的研究小组在40.2K时,发现了一种叫钢钡铜的氧化物变成了超导体,后来他又使这种氧化物变成超导体的温度提高到52.5K,朱经武和吴茂昆分别领导的休斯顿大学和阿拉巴马州大学的两个研究组乘胜前进,夜以继日地奋斗了将近四个月。1987年2月 15в,这 震惊世界科学界的一天。这一天,朱经武和吴茂昆宣布,他们的研究小组,获得了转变温度为98K的超导体,远远高于液体氮临界77K的温度。这一超导研究上的突破性进展,在世界引起了一股“超导热”,引发了一场“超导赛”。

我国的超导研究起步于20世纪60年代。经过中国科学家十多年不懈的努力,在这场全球性的超导赛中,我国的超导技术已经步入国际先进行列,仅在朱经武的研究小组中就有四五位世界一流的来自中国大陆的超导专家。就在朱经武、吴茂昆发现98K的超导体后不久,中国科学院物理研究所的13位中国科学家获得了临界温度为100K的超导体,1988年初,又制出临界温度为114K的新型超导体。跨入20世纪90年代以来,中国科学家和他们在世界各国的同行们又把超导研究提到了一个新的高度。科学家们预言,由于超导研究的深入发展和超导技术的广泛应用,在全球范围内将掀起一场新的“工业革命”,比起早先有过的工业革命来,这场新的“工业革命”将更深刻更广泛地影响未来人类的生活。

这场革命的巨浪正向人类卷来,而我们炎黄子孙也如神话中推波助澜的巨手,推动着巨浪澎向。中国科学家和华裔科学家在超导研究上对人类的贡献将永载史册。

 

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