超導體的超能力

黃萍

同學們，在四年級科學上冊第四單元《導體和絕緣體》中，我們已經(jīng)知道像鐵釘、鋁箔等物品容易導電，被稱為導體;像塑料尺、干燥的竹簽等物品不容易導電，被稱為絕緣體。本期，黃老師給大家介紹另一個小伙伴——超導體。“超”字體現(xiàn)出它有很強的能力，那這種能力是什么呢？不著急，我們慢慢來看。

不知道同學們有沒有這樣的體驗：媽媽可以通過電視機的溫度來判斷你是否偷偷看過電視;游戲玩久了，手機就會特別燙……這些都是為什么呢？

相信很多同學通過閱讀科普書籍，知道物質由分子組成（例如，水由水分子組成，氧氣由氧分子組成），這些分子又由原子組成。偉大的物理學家盧瑟福經(jīng)過一系列研究，提出原子內部還有原子核（處于原子中心）和核外電子。電流的產生靠的就是原子核外這些自由移動的電子。

試想，冬天我們手冷的時候，把兩只手放在一起搓一搓就暖和一點了，這就是摩擦生熱。我們在使用電器時，導線中的電子由于不規(guī)則的運動會相互碰撞，并且和導線也會發(fā)生“摩擦”，這種“摩擦”就是電阻，是電器、電線發(fā)熱的內在原因。類似人在路上隨意行走，橫沖直撞，行人間勢必發(fā)生碰撞，阻礙彼此前進。在彼此阻礙的過程中，雙方就會生氣發(fā)火，體溫升高。我們還可以想象成在早高峰的路上，汽車都堵在路上，向前走不了。車，燒油發(fā)熱;人，心急上火！這個“熱”，對于車和人而言都是一種消耗;對于電器來說，由于電阻的阻礙而產生的熱量更是一種消耗。電阻產生的熱量浪費了很多電能。

事實上，電在從發(fā)電廠趕往工廠、住宅、學校的路上，就已經(jīng)被輸電線自帶的電阻消耗了不少。據(jù)新華社報道，我國每年比發(fā)達國家在輸電線上多損失的電量就有450億千瓦·時，相當于中部一個省全年的用電量。而這一切的根源，就是電阻的存在。

這個時候，就需要找出一種不會阻礙電能運輸?shù)膶w，從而消除電能的損耗。它，就是超導體。

1911年，荷蘭物理學家昂尼斯用液氦冷卻汞，當溫度下降到-268.95℃時，汞的電阻完全消失。昂尼斯將這種現(xiàn)象命名為超導電性，并因此獲得1913年諾貝爾物理學獎。

同學們或許會問：為什么會出現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象？其內在原因是一個非常深奧的物理問題。對于交通的擁擠，城市建設者提出的解決方案是建立更多并行的交通網(wǎng)絡（立交橋、地鐵）來緩減擁堵，但只是緩減，并沒有從根本上消除。

在微觀物質世界中，超導材料中的電子卻有獨特的秘訣來完全消除電阻，它們信奉的口號是：“遇事不決，量子力學！”在量子力學的幫助下，超導材料的兩個電子會進行兩兩配對，你拉我，我拉你，形成一個消除干擾的屏蔽勢能，一起暢通無阻地向前走。

由于沒有電阻，電流通過超導體時，就沒有能量損失。利用超導體制成的導線可以降低電能的損耗，提高電能的利用率。據(jù)測算，目前采用銅或鋁導線的輸電損耗約為15%，我國每年的輸電損耗就達1000億千瓦·時左右。如果采用超導輸電線，每年節(jié)省的電量相當于數(shù)十個發(fā)電廠的發(fā)電量。但是，超導體最大的問題是需要非常低的溫度。目前已經(jīng)使用的超導材料都需要一直浸泡在液氮里來實現(xiàn)零電阻。

雖然受到低溫的限制，但超導材料仍然在人類社會中有極其廣泛的應用。人們利用超導材料的零電阻特性來設計超導電纜，發(fā)展高場磁體，如醫(yī)院里常用的核磁共振成像儀就是使用了超導材料。另外，人們利用超導材料的另一個特性——完全抗磁性，建造磁懸浮列車。世界上很多大型的科學儀器也離不開超導材料。可以說，超導材料是未來科技發(fā)展的重要驅動力。

無數(shù)科學家窮盡其畢生的力量，在尋找室溫條件下就可以實現(xiàn)零電阻的超導材料。如果可以發(fā)現(xiàn)這種材料，社會將更快速地發(fā)展，能源危機也會得到極大的改善。同學們，你們將來想?yún)⑴c超導材料的研究嗎？

sdjzdx202203231311