零電阻的神秘材料
——超導材料

■文/南京市旭日景城小學 王瑜

同學們，你們聽說過“巨型膠囊”嗎？早在2013 年，世界上第一個多端柔性直流輸電工程在我國的汕頭市南澳投運了。今年8 月,“巨型膠囊”終于走出了實驗室，和大家見面了。“巨型膠囊”其實是一個直流限流器，利用超導材料獨特的“零電阻”和“超導態-正常態轉變”特性，它可以不依賴任何監測裝置，在感應到故障電流的瞬間響應觸發，自動完成全部限流保護過程，并在故障清除后自動恢復超導特性。這家伙在正常運行時就像一根隱形的導線，沒有電阻，一旦發生短路故障，將在眨眼間（1 毫秒內）迅速轉為大電阻，起到限制故障電流的作用，這就是超導材料的奧妙。

超導材料究竟是什么呢？今天，我們就跟著南京市旭日景城小學的王瑜老師，一起走近“零電阻的神秘材料”——超導材料。

教師簡介

王瑜

南京市旭日景城小學科學教師，在課堂上立足兒童視角，拓展兒童科學思維。先后獲得鼓樓區科學學科優秀青年教師、鼓樓區科學學科帶頭人等榮譽稱號。

超導材料的自我介紹

同學們，很高興認識你們，請允許我先做個自我介紹。我叫“超導材料”，我的發現是一個意外——1911 年，開默林·昂內斯發現當水銀溫度降到絕對溫度4.2K（-268.8℃）時，水銀電阻值發生了奇妙的變化，電阻值消失了，變成了零。正是這個意外，讓我正式和人類見面。科學家認為，當外界溫度發生變化時，有些材料會出現完全沒有電阻的特性，科學家們把這種現象叫作“超導電性”。于是，就有了我的名字——“超導材料”或是“超導體”，使我失去電阻的溫度叫作“超導臨界值”。

說到這里，我想問問大家，如果你是科學家，你想進一步研究什么呢？科學家也在苦思冥想：還有什么材料也是超導材料呢？能不能實現常溫下的超導性呢？下面，就讓我隆重推出我們“超導家族”的幾個重要小伙伴（右圖）。

能干的“高溫超導材料”

大家是不是還覺得上面的幾種超導材料的“超導臨界值”太低了，根本就達不到室溫。其實，如果某種材料的超導臨界值達到77.4K（-195.75℃），它就可以在生產中具有使用價值了。因為超導材料可以在液氮的低溫環境中使用，而液氮的生產工藝容易解決，而且氮原料取之不盡、用之不竭，成本低廉，便于在實際生產中推廣應用。所以，科學家把“超導臨界值”高于77.4K（-195.75℃）的超導材料叫作“高溫超導材料”。

“前途無量”的超導材料

其實，在生活中的很多地方，同學們都能看見我們“超導體家族”的身影。今天，我就給大家介紹其中幾位成員的豐功偉績。

上海磁懸浮列車

發現時間 超導臨界值 名稱1973 年 32.4K（-249.92℃） 鈮鍺合金1987 年 90K（-185.1℃） 釔-鋇-銅-氧1988 年 110K（-165.15℃） Bi-Sr-Cu-O 1988 年 -150.15℃ 鉈系化合物1988 年 164K（-111.15℃） 汞系化合物

1磁懸浮

2003 年1 月4 日，上海首輛磁懸浮列車正式商業運營，列車最高時速達到430 千米，僅次于飛機。這其中就有我們“超導體家族”的功勞。磁懸浮列車的車身和底部使用的是稀土永磁體的超導磁體，軌道中埋設閉合鋁環，產生同極電，產生的強大的排斥力使得車體懸浮起來，像一架超低空飛行的飛機高速行駛。

2超導電纜

電力無法儲存、調借，存在著浪費的現象。據數據統計，發電量的浪費高達50%。這時，又輪到我們“超導體家族”出手了。我們可以化身為超導電纜，在輸送電能的過程中可以最大限度地降低損耗，僅為傳輸功率的 0.5%，而常規電線電纜的損耗要達到 10%。而且高溫超導電纜的容量比常規電纜提高3～5 倍、損耗下降60%，節約占地面積和空間。更為可觀的是，總費用降低 20%，經濟效益明顯。超導電力技術是 21 世紀電力工業唯一的高技術儲備，可有效解決能源短缺的問題。

3超導磁體

我們超導材料還可以制成超導磁體。超導磁體的優勢是可以實現常規導體材料無法實現的磁場強度、磁場梯度和磁場均勻度。比如核磁共振成像（MRI），已被廣泛地應用于醫療檢測、診斷之中，成為最精確的醫學檢測手段之一。磁鐵在甜甜圈形狀的房子里，可以在中心洞中創造一個3 特斯拉的磁場。

今天，我帶同學們認識了“超導體家族”，知道了它們的特征和作用。其實，自從超導現象被發現以來，人們就開始想象各種各樣的超導材料應用在實際生活中的場景。超導現象有多種優良的性能，未來也必將給人們的生產、生活帶來翻天覆地的變化，這很可能是第四次科技革命的開始。同學們，希望有一天，你們也能發現“超導體家族”的新成員。