超导造福人类

众所周知，地球上所有的材料都有电阻，它可以限制经过的电流，使物体发热。人们利用电阻发明了许多东西，给生活带来方便，但在有些情况下电阻被视为“麻烦”，不受欢迎。比如，电能是当今世界最便捷、使用最广泛的能量，但是它在输送中不断被电阻“截流”，损耗很大：电脑等一些比较“娇贵”的电器因为需要散热，不得不把一些关键部位暴露给无孔不入的灰尘。人们一直希望找到无电阻或电阻很小的材料。

　　1911年，荷兰科学家昂内斯在一次低温研究的实验中，用液氦冷却水银，当温度下降到4.2K(—269℃)左右时，他忽然吃惊地发现水银的电阻完全消失，出现了所谓的零电阻。开始他以为实验本身出了问题，但经反复检查确认无误后，他兴奋极了。这是人类首次发现超导现象，它意味着人们的生活将会有极大的改变，一门新兴的物理学分支科学——超导物理学也由此诞生。1913年昂内斯又发现锡在3.7K以下、铅在7.2K以下均具有超导性。至今，人们已发现几千种物质在极低的温度下具有超导电性；能使某种物质具有超导电性的温度，被称为该物质的“超导临界温度”。

　　1933年，迈斯纳和奥克森菲尔德两位科学家发现，如果把超导体放在磁场中冷却，在其电阻消失的同时，磁感应线会从超导体中排出，不能通过超导体，这种现象被称为抗磁性。超导性和抗磁性是超导体的两个重要特性。经过科学家们数十年的努力，超导材料的磁电障碍已被跨越，现在面临的最大难题是如何提高超导临界温度。

　　为了提高超导临界温度，从而让超导走出实验室，科学家们一直煞费苦心。1973年，美国科学家发现了超导合金——铌锗合金，其超导临界温度为23.2K(OK＝－273℃)：1986年，设在瑞士苏黎世的美国IBM公司研究中心发现了一种氧化物(镧—钡—铜—氧)具有35K的“高温”超导性：1985年，美国贝尔实验室把研究的氧化物超导材料的临界温度提高到40K，从而突破了液氢的温度壁垒；1987年2月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇—钡—铜—氧系材料上把超导临界温度提高到90K以上，液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破：1987年底，科学家又将超导临界温度提高到了125K；到1994年已达到154K。现在，科学家们正致力于使超导临界温度达到干冰温度(240K)和室温(300K)。他们已经注意到利用氟、氮、碳部分取代氧，或在钇钡铜氧化物中加钪、锶和某些金属元素，这样就有可能制出室温超导体。科学家们信心十足地表示：现实距离梦想己不遥远。

　　超导材料究竟有何妙用，值得人们花费这么大的力气?简单地讲，它一旦被广泛应用，将会在世界掀起一场令人振奋的、全方位的技术革命。

　　首先是电力部门。没有电阻的材料太好了，用它输电不会损耗电力，用它做发电机可以做得很小，发出的电流却很大。另外，超导材料在超导状态下除了有零电阻外，还有完全的抗磁性，所以只需消耗极小的电能，便可获得10万高斯以上的稳态强磁场。如果利用超导材料的这两个特性制成各种发电、输电、储能设备，节约能源和提高效率的前景异常迷人。比如交流超导发电容量比常规发电机高5～10倍，达到1万兆瓦，而体积却减小了二分之一，整机重量减轻了三分之一，发电效率可提高50％。还有一种高效能发电机叫磁流体发电机，是利用高温导电性气体(等离子体)作导体，以高速通过强磁场(磁场强度为5～5万高斯)而发电。它结构简单，高温导电性气体还可重复利用，来带动前面提及的交流超导发电机。

　　但迄今为止，世界各国开发成功的大型超导发电机实际上都是“半超导发电机”。因为存在种种技术限制，这些发电机只是在电机转子磁场线圈上，才使用液态氦温度的直流低温超导线材。目前，国际上正在开发两种新型超导发电机：一是转子磁场线圈和定子电枢线圈均使用超导线材的全超导发电机；二是使用高温超导线材的高温超导发电机。

　　此外，用超导材料制作的、能把电能几乎无损耗地输送给用户的超导电线和超导变压器也在研究实验中。现在因使用常规材料，大约有15％的电能损耗在输电线路上。仅在中国，每年的电力损失达1000多亿度；由此，这项技术的重要性可见一斑。还有超导储能装置，它可省却其他储能技术所需的能量转换过程，把电能以磁能形式直接贮存在超导线圈中，具有贮能效率高(92％)、贮能密度大(4千万焦耳/立方米)、反应速度快(几十毫秒级)、建造不受地形限制及控制方便等优点，是一种高效的电网负荷调节设备。

　　同时，超导体对核聚变发电也将产生重大影响。我们知道，核聚变会产生巨大的能量；然而，要在地面实现能受控的核聚变热核反应，现在还有不少困难。难题之一，就是需要将反应时温度达1～2亿度的等离子体用强大的磁场包围起来。人们虽已为此设计出了磁封闭式的核聚变反应堆，但必须采用超导强磁体才能将其变为现实。一些科学家指出，如果核聚变发电普及，人类会有望彻底摆脱能源危机。

　　我们可以想象未来的电力供应系统：由交流超导发电机、超导磁流体发电机和超导磁场控制的核聚变发电装置发出巨大电能：通过超导输电线、超导变电站组成的输电系统，把电流源源不断送到所需要的地方。无论大都市、大城镇乃至最偏僻的乡村，无论工业、商业、运输业还是娱乐领域，不再为电烦恼；世界因为有了足够的电，更加多姿多彩、充满活力。

　　除了上述的强电应用外，超导材料的弱电应用和抗磁性应用也极广泛。用超导材料制作的量子干涉器件，能测量到10～18伏特的电压差和10～18安培的电流，它是磁脑照相仪不可缺少的电子器件。高速计算机一般要求集成电路芯片的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会散发出大量的热。用超导材料制作的超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的互连线是接近零电阻的超微发热的超导器件，不存在散热问题；同时计算机的运算速度也将大人提高，为目前一般大型计算机速度的100倍到1000倍。总之，因为有了神奇的超导，世界正日益变得奇妙。

　　

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