青少年喜欢的科技前研:走进超导世界

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超导材料是一种没有电阻的材料,既能节约能量,减少电能因电阻而消耗的能量,还能把电流储存起来,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,白白损失了相当的能量。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,搞得发电机常常白天超负荷运转,深夜时却空转,电力白白浪费了。能不能把夜间富余的电力储存起来用以弥补白天电力不足的难题呢?

自从有了超导材料以来,解决这个问题就大有希望了。超导材料是怎么发现的呢?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,就用水银作试验。他将水银冷却到-40℃时,亮晶晶的被体水银像“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,当温度降低到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,而把出现超导现象的温度叫超导材料的“临界温度”。

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。但出现超导现象的临界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。

为了寻找临界温度比较高的没有电阻的材料,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。

到了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教训,放弃了在金属和合金中寻找超导材料的老观念,解放思想,终于发现一种钢铜钡氧陶瓷氧化物材料在43K这一较高温度下出现超导现象。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时出现超导现象的钇钡铜氧系高温超导材料。不久又发现铋银钙氧铜系高温超导合金,在110K的温度就有超导现象;而后来发现的铊锁钙铜氧系合金的超导温度更接近室温,达120K。这样,超导材料就可以在液氮中工作了。这可以说是20世纪内科学技术上的重大突破,也是超导技术发展史上的一个新的里程碑。

至今,对高温超导材料的研究仍然方兴未艾。1991年,美国和日本的科学家又发现了球状碳分子C-60在掺钾、铯、钕等元素后,也有超导性。有些科学家预料,球状碳分子C-60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技术革命。

超导材料应用的社会效益和经济效益,首先将表现在大功率远距离输电方面。前面我们已经谈到,目前全世界仅在电力输送上,由于线路电阻而消耗的电能约为全世界总发电量的20%左右,如果利用超导材料制成新型输电线材,那么,必将节省大量的电能损耗,对促进社会、经济的发展,将发挥十分巨大的作用。

利用超导线圈储能是超导材料的又一大作用。据有关专家估算,超导线圈的储能效果是通常水冷铜导线线圈储能的100-1000倍,而超导线圈本身并无电能损耗,只需消耗一定的制冷功率即可。对此,有位美国科学家已经实验成功。这一实验给人们很大的启示:在日常生活中,白天和傍晚,人们用电总是最多的,而到了深夜,电就用得少了。要是有一个很大的电力“仓库”,能及时地把多余的电能储存起来,到了急需时再放出来,那该有多好啊!

于是,科学家们提出了超导线圈储能的设想——

在地下很深的地方,挖一个直径有100多米,上中下分三层的大坑,里面充满着超低温的液态氮气,把超导金属做成的线圈浸没在里面,这就做成了超导储能装置。要是平时有多余的电能,就可以存到超导线圈里面去,需要时随时都可以拿出来使用。由于它没有电阻的损耗,还可以长期地保存下去。有关科学家估计,到那时,世界上将出现可储存100万度电的超导设备,人们就再也不要为用电的不平衡而烦恼了。

超导材料的另一个非常有前途的用处是制造磁悬浮列车。为什么超导材料有如此大的力量能把几十上百吨的列车浮起来呢?其实道理很简单。摆弄过磁铁的人,对这一点一定很容易理解。当把一块磁铁的北极(或南极)和另一块磁铁的南极(或北极)换近时,它们会立即吸在一起。但如果把一块磁铁的北极和另一块磁铁的北极靠近,它们就总是挨不到一块,即使用力把他们挤在一起,只要一松手,它们就会立即分开。这是因为在它们之间有一种排斥力。磁悬浮列车就是利用磁铁同极相斥的原理制成的。

但磁悬浮列车上的磁铁不是常见的那种磁铁块(即永久磁铁),而是电磁铁。电磁铁外有一个用导线绕成的线圈,线圈中有电流通过时,铁就产生磁力,只要线圈中一断电,铁就立即失去磁力。

电磁铁的线圈有两种,一种是普通的铜导线绕成的,另一种则是用超导材料导线制成的。要想把几十上百吨的列车悬空浮起来,电磁铁之间的排斥力起码得有几十上百吨。而电磁铁之间的排斥力和通过电磁线圈中的电流有直接关系,也就是说,只有通过很大的电流,才能产生很大的磁力。但普通的铜导线有电阻,电流一大,铜导线就会发热,电流过大时,还可能使导线烧毁。所以铜导线通过的电流大小受到限制,例如直径1毫米的铜导线,只能通过6安培左右的电流,否则就会过热烧毁。

为了使铺导线通过更大的电流,需要加大导线直径,增加冷却设备,这样就会使磁悬浮列车本身的重量加重,这对提高列车的行驶速度不利。怎样才能使磁悬浮列车本身的重量减轻,又能让电磁铁产生很大的磁力呢?这似乎是一个难以克服的困难。但自从有了超导材料后,就有了克服这一困难的希望。

因为超导材料没有电阻,多大的电流通过它也不会产生焦耳热,也不会有电阻产生的损耗。因此,目前世界上许多国家都在争先恐后地研究和开发超导磁悬浮列车。超导磁悬浮列车因为不和铁轨接触,没有摩擦力,只有空气产生的阻力,因此时速可达到550公里,和普通的民航飞机的速度差不多。如果将磁悬浮列车装在真空隧道中运行,速度可达每小时1600公里,比超音速飞机还快。但建造这种隧道很难,因而不易实现。

我国在90年代初开始研制磁悬浮列车,并在“八五”末期研制出第一辆试验性磁悬浮列车,它没有车轮,依靠磁排斥力使车体浮起来10毫米左右。用直线电动机推进。这辆磁悬浮列车是由铁道部长春客车工厂制造的,铁道科学院、国防科技大学、西南交通大学、长沙铁道学院、大连铁道学院等单位共同参加了研制。

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