超導電現象與超導體

姜敬來

[摘要]主要介紹超導現象的產生和超導體的應用,同時結合高中教材分析一道關于超導體的習題。

[關鍵詞]超導電現象 超導體

中圖分類號:TN2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920034-01

1911年荷蘭萊登實驗室的昂尼斯(H.N.Onnes),在測量低溫下水銀的電阻率的時候發(fā)現,當溫度降到4.2K時,水銀的電阻率急劇下降,以至完全測不出來(當時的測量精度為10-5歐)。這種現象叫超導點現象。

根據電阻變化情況,昂尼斯認為水銀在4.2K(當時將4.15K誤認為4.2K)以下進入了一個新的物態(tài),并將之定義為超導態(tài)。能夠產生超導態(tài)的物體稱為超導體。目前已經探明有26種元素、幾千種合金和化合物可成為超導體。

通常將材料出現超導性的最初溫度稱為臨界溫度,論作Tc,溫度高于Tc時,材料處于正常態(tài),具有一定的電阻;溫度低于Tc時,材料處于超導態(tài),幾乎沒有電阻。

處于超導態(tài)的物質具有特殊的電磁性質,主要是零電阻性和完全抗磁性。

目前人們能檢測電阻率的最小值為10-27歐·米當超導體在臨界溫度Tc以下處于超導態(tài)時,其電阻率小于10-27歐·米,導體上的電流不產生熱效應,沒有能量消耗。有人曾將一個用超導體制成的圓環(huán),放入溫度低于Tc的空間,并利用電磁感應,在環(huán)內激勵起感應電流。實驗的結果是,處于超導態(tài)時,電流維持了兩年半而沒有衰減。將溫度升高后(高于Tc),圓環(huán)材料由超導態(tài)變?yōu)檎B(tài),電阻驟然加大,電流立即消失。

超導體具有完全抗磁性的原因:在增加外磁場的過程中,超導體的表面產生了超導電流,超導電流產生的磁感應強度將體內的磁感應強度完全抵消掉了。當外磁場穩(wěn)定時,超導體表面的超導電流也穩(wěn)定,并一直持續(xù)下去,使超導體內部始終保持B=0。

因為超導體具有這些優(yōu)良的特性。從本世紀初被發(fā)現后,一直為世人所矚目,成為探索和研究的熱門課題。自從1988年發(fā)現臨界溫度30K的陶瓷超導體后,超導研究日新月異,一系列高溫超導相繼被開發(fā)。高溫超導材料的不斷問世,為超導材料從實驗室走向應用鋪平了道路。

超群的超導磁體。超導材料最誘人的應用是發(fā)電、輸電和儲能。

由于超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性,因此只需消耗極少的電能,就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁體,要產生這么大的磁場,需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水,投資巨大。

超導磁體可用于制作交流超導發(fā)電機、磁流體發(fā)電機和超導輸電線路等。

超導發(fā)電機。在電力領域,利用超導線圈磁體可以將發(fā)電機的磁場強度提高到5萬～6萬高斯,并且?guī)缀鯖]有能量損失,這種發(fā)電機便是交流超導發(fā)電機。超導發(fā)電機的單機發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機提高5～10倍,達1萬兆瓦,而體積卻減少1/2,整機重量減輕1/3,發(fā)電效率提高50%。

磁流體發(fā)電機。磁流體發(fā)電機同樣離不開超導強磁體的幫助。磁流體發(fā)電發(fā)電,是利用高溫導電性氣體(等離子體)作導體,并高速通過磁場強度為5萬～6萬高斯的強磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機的結構非常簡單,用于磁流體發(fā)電的高溫導電性氣體還可重復利用。

超導輸電線路。超導材料還可以用于制作超導電線和超導變壓器,從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據統(tǒng)計,目前的銅或鋁導線輸電,約有15%的電能損耗在輸電線路上,光是在中國,每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導輸電,節(jié)省的電能相當于新建數十個大型發(fā)電廠。

在我們高中階段對于超導體的要求不太高,考查超導體的主要特點是:零電阻性、完全抗磁性。

例1:下列說法中正確的是()

A.任何物質的溫度降到某一值時都會出現電阻突然為零的現象

B.轉變溫度低于液氦溫度(4.2K)的超導體叫低溫超導體;轉變溫度高于液氦溫度的超導體叫高溫超導體

C.高溫超導體可以廣泛應用于實際中

D.超導體的主要特性是零電阻性,因此當把這種材料用來遠距離輸電時能避免電能損失

解析:大多數金屬、合金及其氧化物都會出現超導現象,但不是任何物質都會出現超導現象,A項錯誤;轉變溫度高于液氦溫度(77K)的超導體叫高溫超導體,B項錯誤;高溫超導體目前的最高轉變溫度為125K,相當于-148℃,與室溫相比還是極低的,因而還不能應用于實際,C項錯誤;超導體的主要特性是零電阻性,即電流在其間流動時不受任何阻礙,不會因發(fā)熱而損失電能,故D項正確。

答案:D

點評:超導現象中的“高溫”是相對于絕對零度來說的,千萬別以為實際生活中的常溫低于超導現象中的“高溫”。

例2:1931年英國物理學家狄拉克從理論上預言:存在只有一個磁極的粒子,即“磁單極子”。1982年,美國物理學家卡不萊設計了一個磁單極子的實驗,他設想,如果一個只有N極的磁單極子從上向下穿過如圖所示的超導線圈,那么,從上向下看,超導線圈上將出現()。

A.先是逆時針方向,然后是順時針方向的感應電流

B.先是順時針方向,然后是逆時針方向的感應電流

C.順時針方向持續(xù)流動的感應電流

D.逆時針方向持續(xù)流動的感應電流

解析:當磁單極子靠近環(huán)時感應磁場與原磁場反向,感應磁場向上,同理當磁單極子遠離環(huán)時,感應磁場與原磁場同向,感應磁場也向上,據安培定則知,可產生逆時針電流,又因環(huán)由超導體構成,故D項正確。

答案:D

點評:由于超導體的零電阻性,故超導體不消耗電能,所以超導體內的電流不會消失。

隨著科技水平的不斷發(fā)展,人們對于超導體的認識將會更加全面了解將會更加深刻,超體也將會使我們的生活變的更加美好。