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夢(mèng)幻書院? 科學(xué)小記者講堂-神奇的超導(dǎo)材料

2021-06-18 16:50 作者:科學(xué)網(wǎng) 0人讀過 | 我要投稿

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材料按照它們的導(dǎo)電性能，通?？梢员环殖山^緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。例如玻璃、橡膠不導(dǎo)電，屬于絕緣體；電子器件中大量使用的硅在一定條件下導(dǎo)電，屬于半導(dǎo)體；而絕大部分的金屬則是電的良導(dǎo)體。導(dǎo)體的電阻非常小，不過并不為零。還有一些材料，當(dāng)人們把它的溫度將到一定程度之后，它就會(huì)進(jìn)入另一種完全不同的物質(zhì)狀態(tài)——超導(dǎo)態(tài)，它的導(dǎo)電能力比導(dǎo)體更強(qiáng)大，實(shí)際上，是完全沒有電阻！

1911年，昂內(nèi)斯將汞（Hg）冷卻到4.2K以下，發(fā)現(xiàn)汞的電阻突然完全消失了，至少，是下降到了當(dāng)時(shí)儀器無法測(cè)量的最小值（圖1）。為了測(cè)試這一結(jié)果，昂內(nèi)斯設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，他把汞線圈閉合，并引入電流讓其在這個(gè)閉合線圈里流動(dòng)。按照人們的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，線圈里的電阻會(huì)導(dǎo)致電流迅速消失，就好像摩擦力和空氣阻力會(huì)導(dǎo)致自行車在水平的道路上自己停下一樣。但結(jié)果卻是這些電流一旦啟動(dòng)，就在汞線圈里不停地流動(dòng)，完全沒有停下來的意思——只要保持足夠的低溫就行了。昂內(nèi)斯的團(tuán)隊(duì)對(duì)此感到萬分驚訝，同樣感到驚訝的還有當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界，他們因此授予了昂內(nèi)斯教授1913年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖1?金屬汞在4.2K以下的零電阻態(tài)

圖片來源：中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播研究中心

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超導(dǎo)現(xiàn)象的另一個(gè)重要特征是所謂的“完全抗磁性”。這種現(xiàn)象是1933年德國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·邁斯納（Walther Meissner）與羅伯特·奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）在測(cè)量超導(dǎo)錫樣品外的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。你或許做過這樣的實(shí)驗(yàn)：將鐵粉灑在放有一塊磁鐵的紙上，這些粉末會(huì)整齊地排列出一道道線條，這表示鐵會(huì)受到空間中磁力線的作用改變自己的磁性。而超導(dǎo)體的完全抗磁性則剛好相反，會(huì)完全排斥掉所有內(nèi)部的磁力線，使其內(nèi)部磁場(chǎng)恒等于零。如果你把一個(gè)小磁體靠近超導(dǎo)體，超導(dǎo)體會(huì)讓外部的磁力線彎曲，不允許它們滲透到內(nèi)部。這是因?yàn)樵谕饧哟艌?chǎng)中，超導(dǎo)體表面會(huì)產(chǎn)生電流，在超導(dǎo)體內(nèi)部，這種感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外部磁場(chǎng)剛好相反，從而剛好將其抵消掉。從另一個(gè)角度來說，相當(dāng)于超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)“消失”了。如圖，當(dāng)超導(dǎo)體的溫度高于臨界溫度時(shí)，材料內(nèi)部有磁場(chǎng)穿過（圖2），當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)材料內(nèi)部會(huì)將磁力線排斥（圖2）。超導(dǎo)體的這種完全抗磁性也被稱為“邁斯納效應(yīng)”，它是除零電阻之外超導(dǎo)體表現(xiàn)出的另一個(gè)非常重要的特征。判斷一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看它是否同時(shí)具備零電阻和邁斯納效應(yīng)。

圖2?超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)

圖片來源：Piotr Jaworski,?http://zh.wikipedia.org/wiki/File:EfektMeisnera.svg

圖片來源：Mai-Linh Doan, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Meissner_effect_p1390048.jpg

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超導(dǎo)的零電阻和完全抗磁性令人們對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生了巨大好奇心，并和對(duì)超導(dǎo)應(yīng)用懷有無限的憧憬。繼汞之后隨著研究的深入，超導(dǎo)家族愈來愈龐大，其成員逐漸擴(kuò)展到眾多的金屬和合金超導(dǎo)材料，銅基超導(dǎo)材料、金屬化合物超導(dǎo)材料和鐵基超導(dǎo)材料等。圍繞著這些超導(dǎo)材料的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)奇妙應(yīng)用也隨之誕生。

1.??超導(dǎo)電纜

電能是人類社會(huì)基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)，而科技發(fā)展至今，電力的傳輸，至少大規(guī)模的電力傳輸，都仍然必須經(jīng)過電力電纜來進(jìn)行。常規(guī)的電力電纜都有電阻，從發(fā)電站到達(dá)我們的客廳，電纜的長(zhǎng)度高達(dá)幾千甚至上萬公里，這就會(huì)使電能在通過這些電纜時(shí)產(chǎn)生巨大的能量損耗。一般高壓線路在電力傳輸過程中產(chǎn)生的線路損耗率高達(dá)5%-8%。2012年，我國(guó)全社會(huì)用電總量累計(jì)約為5萬億千瓦時(shí)，這意味著電力傳輸中產(chǎn)生的損耗超過2500億千瓦時(shí)，而三峽大壩一年的發(fā)電量也不過1000億千瓦時(shí)左右。

如果采用高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行電力傳輸，由于超導(dǎo)材料的零電阻特點(diǎn)，電力傳輸中的線路損耗將大大降低，導(dǎo)體損耗不足常規(guī)電纜的十分之一，即使算上為了維持超導(dǎo)狀態(tài)而必須的制冷能量損耗，高溫超導(dǎo)電纜的總運(yùn)行損耗也不過是常規(guī)電纜的一半。并且，同等截面積高溫超導(dǎo)電纜的電流輸送能力是普通電纜的3-5倍，在大大提高電力運(yùn)送能力的同時(shí)，還可以節(jié)約金屬等常規(guī)電纜材料的使用。

低溫的超導(dǎo)材料多數(shù)是金屬或合金，所以有很好的延展性，更容易制成導(dǎo)線，不過，維持它們的超導(dǎo)狀態(tài)需要很低的臨界溫度，需要用液氦來實(shí)現(xiàn)，提高了使用成本，也嚴(yán)重限制了低溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用。因此，人們改用銅基高溫超導(dǎo)材料來制作線材。不過這類材料屬于陶瓷，延展性并不好，所以，通常是將這類材料以薄膜的形式覆蓋在延展性更好的金屬或合金上。第一代高溫超導(dǎo)線帶材是采用臨界溫度為110 K的鉍－鍶－鈣－銅－氧材料（鉍系），2001年5月，美國(guó)超導(dǎo)體公司、底特律愛迪生電力公司和意大利皮熱里電纜系統(tǒng)公司通力合作，在底特律成功敷設(shè)長(zhǎng)360多米的超導(dǎo)電纜，這成為世界上第一條超導(dǎo)輸電線路。這個(gè)線路以123千克鉍－鍶－鈣－銅－氧超導(dǎo)導(dǎo)線，取代了原有的9條8100千克電纜中的銅導(dǎo)線。但這種材料的性質(zhì)和成本仍然不適合大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，很快被人們放棄，轉(zhuǎn)而研究第二代高溫超導(dǎo)帶材——釔－鋇－銅－氧（釔系）。釔系高溫超導(dǎo)材料有很高的臨界電流密度，而且可以廉價(jià)的鎳或鎳合金，甚至普通不銹鋼為基底，這大大降低了它的成本，也使高溫超導(dǎo)材料的廣泛應(yīng)用成為可能。

目前，美國(guó)、日本、韓國(guó)、歐洲和中國(guó)都在展開高溫超導(dǎo)電力線纜的研究與示范，使用的超導(dǎo)電纜多是由鋇-銅-氧超導(dǎo)體系加鈮和鈦的合金導(dǎo)體組成，如圖3。2008年，美國(guó)超導(dǎo)公司（AMSC）與耐克森公司合作，在紐約長(zhǎng)島電力局成功完成高溫超導(dǎo)電纜示范項(xiàng)目，電纜的長(zhǎng)度為600米，電壓等級(jí)為138千伏，最大電流可達(dá)到3千安，可以滿足30萬家庭的用電需求。2013年，韓國(guó)首爾近郊成功應(yīng)用了22.9千伏的超導(dǎo)電纜實(shí)際線路系統(tǒng)。我國(guó)曾經(jīng)在2004年將一段75米長(zhǎng)的高溫超導(dǎo)電纜安裝在甘肅長(zhǎng)通電纜公司內(nèi)為車間供電，2011年，這一電纜在超導(dǎo)變電站中運(yùn)行。

圖3?日本生產(chǎn)的Nb/Cu-7.5%Sn-0.4at%Ti超導(dǎo)電纜線

圖片來源：Materialscientist, http://en.wikipedia.org/wiki/File:NbTi3SnTape.jpg

不過，盡管如此，超導(dǎo)電纜仍然需要復(fù)雜的制冷和循環(huán)系統(tǒng)來維持，導(dǎo)致它們相對(duì)傳統(tǒng)的銅導(dǎo)線而言仍然顯得“冷艷高貴”，成為制約超導(dǎo)電線電纜大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素。因此，進(jìn)一步提高高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度，改進(jìn)制冷系統(tǒng)等等工作，是科學(xué)家和工程師們正在努力解決的問題。

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2.??超導(dǎo)磁鐵及其應(yīng)用

眾所周知，一般的電磁鐵是用金屬導(dǎo)線密密地纏繞成線圈制成的，當(dāng)線圈通電時(shí)，就會(huì)因法拉第電磁感應(yīng)定律而產(chǎn)生垂直于線圈平面的磁場(chǎng)。線圈匝數(shù)越多，導(dǎo)線中的電流越大，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就會(huì)越強(qiáng)。不過，一般電磁鐵都是用銅線繞成，銅線中的電阻會(huì)使線圈在通電時(shí)發(fā)熱，電流越強(qiáng)，發(fā)熱量就越大，浪費(fèi)的能源就越多。為了獲得強(qiáng)大的磁場(chǎng)，人們必須將粗銅線纏繞成龐大而笨重的磁體，而且還需要不斷地輸入電流來克服電阻造成的發(fā)熱損耗，保持磁力。

超導(dǎo)體沒有電阻，所以電流可以在里面沒有阻礙地流動(dòng)，也不會(huì)因?yàn)殡娮瓒a(chǎn)生熱量。如果把超導(dǎo)體做成一個(gè)閉路環(huán)線并在里面引入電流，電流會(huì)在里面永不停歇地流動(dòng)下去。并且，同樣粗細(xì)的超導(dǎo)導(dǎo)線能夠承載比銅線大得多的電流（日本住友電氣開發(fā)的一種高溫超導(dǎo)電線能夠通過的電流密度是銅線的350倍）。如果將超導(dǎo)導(dǎo)線繞成線圈，就完美解決了橫亙?cè)诔瑥?qiáng)磁場(chǎng)，以及線圈體積和能源損耗之間的矛盾，超導(dǎo)磁鐵因此誕生。超導(dǎo)磁鐵不但可以提供超強(qiáng)大的磁場(chǎng)，而且體積小，并不需要太多能源來維持，唯一需要做的就是保持低溫。超導(dǎo)磁鐵的這些優(yōu)勢(shì)，使它能夠在許多地方發(fā)揮無與倫比的作用。如科研常用的變換離子回旋共振（FT-ICR）質(zhì)譜儀就用到超導(dǎo)磁體（圖4）。

圖4?質(zhì)譜儀中使用的超導(dǎo)磁體（圓柱形的低溫恒溫器內(nèi)）

圖片來源：Mkotl, http://en.wikipedia.org/wiki/File:SuperconductingMagnet.jpg

超導(dǎo)電機(jī)

無論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，內(nèi)部的核心零件都是線圈和磁體。超導(dǎo)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子線圈采用超導(dǎo)體，產(chǎn)生的磁場(chǎng)密度大大高于普通電機(jī)，因此可以大幅度減少電機(jī)中鐵的使用，也就讓電機(jī)的重量和體積大幅減小。使用超導(dǎo)材料制造的電動(dòng)機(jī)，還擁有巨大的輸出功率密度（單位體積的輸出功率）。比如美國(guó)超導(dǎo)公司（AMSC）和諾斯洛普格拉曼公司在2007年成功進(jìn)行了36.5兆瓦（5萬馬力）的高溫超導(dǎo)船舶推進(jìn)電機(jī)負(fù)載測(cè)試。這種超導(dǎo)電機(jī)使美國(guó)軍艦推進(jìn)電機(jī)的額定功率翻了一番。如果在美國(guó)海軍DDG-1000驅(qū)逐艦上使用2臺(tái)這種高溫超導(dǎo)電機(jī)，10萬馬力可以使其航速達(dá)到30節(jié)，而全艦重量可減輕近200噸。同時(shí)這種高溫超導(dǎo)電機(jī)的尺寸僅為DDG-1000驅(qū)逐艦采用的普通電機(jī)的一半，更小的體積將為艦艇提供了更多的空間來裝載人員、貨物或裝備，更可以節(jié)省大筆的燃料費(fèi)用。

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超導(dǎo)磁懸浮列車

磁懸浮列車的名字你一定不會(huì)陌生，這種列車懸浮在軌道上，導(dǎo)軌與機(jī)車之間沒有任何接觸。因?yàn)闆]有摩擦，磁懸浮列車的最高時(shí)速可以達(dá)到每小時(shí)550公里以上，相比輪軌高速列車最高時(shí)速400公里而言，無疑更加快速。此外，磁懸浮列車因?yàn)闆]有摩擦，因此運(yùn)行過程非常安靜平穩(wěn)。

超導(dǎo)磁懸浮列車所利用的超導(dǎo)型電力懸浮系統(tǒng)是一種斥力懸浮系統(tǒng)。這種磁懸浮列車“懸浮”依靠的是車體上的超導(dǎo)磁鐵，以及在起到鐵軌作用的導(dǎo)軌側(cè)壁內(nèi)嵌的懸浮導(dǎo)向線圈（圖5）。當(dāng)列車快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，車體上的超導(dǎo)磁鐵會(huì)快速經(jīng)過懸浮導(dǎo)向線圈的下半部分，由于下半部分的磁通量變化大于上半部分，根據(jù)楞次定律，會(huì)在線圈中感應(yīng)出電流。下半部分將在電流的作用下產(chǎn)生與超導(dǎo)磁鐵相同的磁極，而上半部分則剛好相反，結(jié)果是這兩部分線圈對(duì)超導(dǎo)磁鐵產(chǎn)生的磁力，一個(gè)向上排斥，一個(gè)向上吸引，將列車懸浮起來。因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)是常規(guī)電磁鐵的好幾倍，可以使車身懸浮在導(dǎo)軌上方10厘米處。由于懸浮導(dǎo)向線圈只有在超導(dǎo)磁鐵運(yùn)動(dòng)并達(dá)到一定速度以后才能夠在軌道上的感應(yīng)線圈中感應(yīng)出足夠磁場(chǎng)使車身懸浮，所以列車在啟動(dòng)和停止過程中，需要靠輪子提供臨時(shí)支撐和滑行，直到產(chǎn)生的磁力足夠承載列車重量，才會(huì)收起車輪。

圖5?磁懸浮列車的工作原理

圖片來源：Yosemite,?http://en.wikipedia.org/wiki/File:JR_Maglev-Lev.png

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與常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)相比，雖然超導(dǎo)型磁懸浮技術(shù)成本比較高，而且由于需要對(duì)超導(dǎo)電磁鐵進(jìn)行冷卻等，技術(shù)復(fù)雜度也更高，目前還沒有成熟的商業(yè)化項(xiàng)目。但是超導(dǎo)磁懸浮的高度是常導(dǎo)磁懸浮的10倍左右，在轉(zhuǎn)彎或者發(fā)生震動(dòng)等情況時(shí)，也不容易與軌道之間發(fā)生摩擦，這大大提高了它的安全性。

目前，出于經(jīng)濟(jì)性、可靠性和技術(shù)方面的原因，只有德國(guó)、日本和中國(guó)能夠開發(fā)磁懸浮列車。上海磁懸浮示范運(yùn)營(yíng)線是世界第一條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的高速磁懸浮線路，設(shè)計(jì)最高運(yùn)行時(shí)速為431公里，采用的是德國(guó)Transrapid公司的常導(dǎo)磁懸浮技術(shù)。日本的山梨縣試驗(yàn)線路使用的是低溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，最高時(shí)速可達(dá)581公里，是目前為止世界上最快的列車線路。

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超導(dǎo)磁鐵的其他應(yīng)用

不僅在磁懸浮列車上，超導(dǎo)磁鐵以高效率產(chǎn)生大磁場(chǎng)的特點(diǎn)讓它在生活中相當(dāng)多的領(lǐng)域得到運(yùn)用。例如在醫(yī)院、研究所使用的核磁共振高分辨率成像技術(shù)上就使用了超導(dǎo)磁體。在粒子物理學(xué)的領(lǐng)域，歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中，也使用了超導(dǎo)磁體（圖6），借助它產(chǎn)生的超強(qiáng)磁場(chǎng)使質(zhì)子和反質(zhì)子在一個(gè)環(huán)形通道中加速到接近光速，然后對(duì)撞在一起。