超導造福人類

眾所周知，地球上所有的材料都有電阻，它可以限制經過的電流，使物體發熱。人們利用電阻發明了許多東西，給生活帶來方便，但在有些情況下電阻被視為“麻煩”，不受歡迎。比如，電能是當今世界最便捷、使用最廣泛的能量，但是它在輸送中不斷被電阻“截流”，損耗很大：電腦等一些比較“嬌貴”的電器因為需要散熱，不得不把一些關鍵部位暴露給無孔不入的灰塵。人們一直希望找到無電阻或電阻很小的材料。

1911年，荷蘭科學家昂內斯在一次低溫研究的實驗中，用液氦冷卻水銀，當溫度下降到4.2K(—269℃)左右時，他忽然吃驚地發現水銀的電阻完全消失，出現了所謂的零電阻。開始他以為實驗本身出了問題，但經反復檢查確認無誤后，他興奮極了。這是人類首次發現超導現象，它意味著人們的生活將會有極大的改變，一門新興的物理學分支科學——超導物理學也由此誕生。1913年昂內斯又發現錫在3.7K以下、鉛在7.2K以下均具有超導性。至今，人們已發現幾千種物質在極低的溫度下具有超導電性；能使某種物質具有超導電性的溫度，被稱為該物質的“超導臨界溫度”。

1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，在其電阻消失的同時，磁感應線會從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象被稱為抗磁性。超導性和抗磁性是超導體的兩個重要特性。經過科學家們數十年的努力，超導材料的磁電障礙已被跨越，現在面臨的最大難題是如何提高超導臨界溫度。

為了提高超導臨界溫度，從而讓超導走出實驗室，科學家們一直煞費苦心。1973年，美國科學家發現了超導合金——鈮鍺合金，其超導臨界溫度為23.2K(OK＝－273℃)：1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司研究中心發現了一種氧化物(鑭—鋇—銅—氧)具有35K的“高溫”超導性：1985年，美國貝爾實驗室把研究的氧化物超導材料的臨界溫度提高到40K，從而突破了液氫的溫度壁壘；1987年2月，美國華裔科學家朱經武和中國科學家趙忠賢相繼在釔—鋇—銅—氧系材料上把超導臨界溫度提高到90K以上，液氮的禁區(77K)也奇跡般地被突破：1987年底，科學家又將超導臨界溫度提高到了125K；到1994年已達到154K。現在，科學家們正致力于使超導臨界溫度達到干冰溫度(240K)和室溫(300K)。他們已經注意到利用氟、氮、碳部分取代氧，或在釔鋇銅氧化物中加鈧、鍶和某些金屬元素，這樣就有可能制出室溫超導體。科學家們信心十足地表示：現實距離夢想己不遙遠。

超導材料究竟有何妙用，值得人們花費這么大的力氣?簡單地講，它一旦被廣泛應用，將會在世界掀起一場令人振奮的、全方位的技術革命。

首先是電力部門。沒有電阻的材料太好了，用它輸電不會損耗電力，用它做發電機可以做得很小，發出的電流卻很大。另外，超導材料在超導狀態下除了有零電阻外，還有完全的抗磁性，所以只需消耗極小的電能，便可獲得10萬高斯以上的穩態強磁場。如果利用超導材料的這兩個特性制成各種發電、輸電、儲能設備，節約能源和提高效率的前景異常迷人。比如交流超導發電容量比常規發電機高5～10倍，達到1萬兆瓦，而體積卻減小了二分之一，整機重量減輕了三分之一，發電效率可提高50％。還有一種高效能發電機叫磁流體發電機，是利用高溫導電性氣體(等離子體)作導體，以高速通過強磁場(磁場強度為5～5萬高斯)而發電。它結構簡單，高溫導電性氣體還可重復利用，來帶動前面提及的交流超導發電機。

但迄今為止，世界各國開發成功的大型超導發電機實際上都是“半超導發電機”。因為存在種種技術限制，這些發電機只是在電機轉子磁場線圈上，才使用液態氦溫度的直流低溫超導線材。目前，國際上正在開發兩種新型超導發電機：一是轉子磁場線圈和定子電樞線圈均使用超導線材的全超導發電機；二是使用高溫超導線材的高溫超導發電機。

此外，用超導材料制作的、能把電能幾乎無損耗地輸送給用戶的超導電線和超導變壓器也在研究實驗中。現在因使用常規材料，大約有15％的電能損耗在輸電線路上。僅在中國，每年的電力損失達1000多億度；由此，這項技術的重要性可見一斑。還有超導儲能裝置，它可省卻其他儲能技術所需的能量轉換過程，把電能以磁能形式直接貯存在超導線圈中，具有貯能效率高(92％)、貯能密度大(4千萬焦耳/立方米)、反應速度快(幾十毫秒級)、建造不受地形限制及控制方便等優點，是一種高效的電網負荷調節設備。

同時，超導體對核聚變發電也將產生重大影響。我們知道，核聚變會產生巨大的能量；然而，要在地面實現能受控的核聚變熱核反應，現在還有不少困難。難題之一，就是需要將反應時溫度達1～2億度的等離子體用強大的磁場包圍起來。人們雖已為此設計出了磁封閉式的核聚變反應堆，但必須采用超導強磁體才能將其變為現實。一些科學家指出，如果核聚變發電普及，人類會有望徹底擺脫能源危機。

我們可以想象未來的電力供應系統：由交流超導發電機、超導磁流體發電機和超導磁場控制的核聚變發電裝置發出巨大電能：通過超導輸電線、超導變電站組成的輸電系統，把電流源源不斷送到所需要的地方。無論大都市、大城鎮乃至最偏僻的鄉村，無論工業、商業、運輸業還是娛樂領域，不再為電煩惱；世界因為有了足夠的電，更加多姿多彩、充滿活力。

除了上述的強電應用外，超導材料的弱電應用和抗磁性應用也極廣泛。用超導材料制作的量子干涉器件，能測量到10～18伏特的電壓差和10～18安培的電流，它是磁腦照相儀不可缺少的電子器件。高速計算機一般要求集成電路芯片的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會散發出大量的熱。用超導材料制作的超導計算機中的超大規模集成電路，其元件間的互連線是接近零電阻的超微發熱的超導器件，不存在散熱問題；同時計算機的運算速度也將大人提高，為目前一般大型計算機速度的100倍到1000倍。總之，因為有了神奇的超導，世界正日益變得奇妙。

責任編輯 蒲 暉