超導(dǎo)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(jīng)過的電流，使物體發(fā)熱。人們利用電阻發(fā)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(dāng)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(guān)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(xué)家昂內(nèi)斯在一次低溫研究的實驗中，用液氦冷卻水銀，當(dāng)溫度下降到4.2K(—269℃)左右時，他忽然吃驚地發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失，出現(xiàn)了所謂的零電阻。開始他以為實驗本身出了問題，但經(jīng)反復(fù)檢查確認(rèn)無誤后，他興奮極了。這是人類首次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)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(xué)分支科學(xué)——超導(dǎo)物理學(xué)也由此誕生。1913年昂內(nèi)斯又發(fā)現(xiàn)錫在3.7K以下、鉛在7.2K以下均具有超導(dǎo)性。至今，人們已發(fā)現(xiàn)幾千種物質(zhì)在極低的溫度下具有超導(dǎo)電性；能使某種物質(zhì)具有超導(dǎo)電性的溫度，被稱為該物質(zhì)的“超導(dǎo)臨界溫度”。

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

為了提高超導(dǎo)臨界溫度，從而讓超導(dǎo)走出實驗室，科學(xué)家們一直煞費苦心。1973年，美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)合金——鈮鍺合金，其超導(dǎo)臨界溫度為23.2K(OK＝－273℃)：1986年，設(shè)在瑞士蘇黎世的美國IBM公司研究中心發(fā)現(xiàn)了一種氧化物(鑭—鋇—銅—氧)具有35K的“高溫”超導(dǎo)性：1985年，美國貝爾實驗室把研究的氧化物超導(dǎo)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(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔—鋇—銅—氧系材料上把超導(dǎo)臨界溫度提高到90K以上，液氮的禁區(qū)(77K)也奇跡般地被突破：1987年底，科學(xué)家又將超導(dǎo)臨界溫度提高到了125K；到1994年已達到154K。現(xiàn)在，科學(xué)家們正致力于使超導(dǎo)臨界溫度達到干冰溫度(240K)和室溫(300K)。他們已經(jīng)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(dǎo)體。科學(xué)家們信心十足地表示：現(xiàn)實距離夢想己不遙遠。

超導(dǎo)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(yīng)用，將會在世界掀起一場令人振奮的、全方位的技術(shù)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(fā)電機可以做得很小，發(fā)出的電流卻很大。另外，超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)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(wěn)態(tài)強磁場。如果利用超導(dǎo)材料的這兩個特性制成各種發(fā)電、輸電、儲能設(shè)備，節(jié)約能源和提高效率的前景異常迷人。比如交流超導(dǎo)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)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(fā)電效率可提高50％。還有一種高效能發(fā)電機叫磁流體發(fā)電機，是利用高溫導(dǎo)電性氣體(等離子體)作導(dǎo)體，以高速通過強磁場(磁場強度為5～5萬高斯)而發(fā)電。它結(jié)構(gòu)簡單，高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用，來帶動前面提及的交流超導(dǎo)發(fā)電機。

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

此外，用超導(dǎo)材料制作的、能把電能幾乎無損耗地輸送給用戶的超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器也在研究實驗中。現(xiàn)在因使用常規(guī)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(shù)的重要性可見一斑。還有超導(dǎo)儲能裝置，它可省卻其他儲能技術(shù)所需的能量轉(zhuǎn)換過程，把電能以磁能形式直接貯存在超導(dǎo)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(yīng)速度快(幾十毫秒級)、建造不受地形限制及控制方便等優(yōu)點，是一種高效的電網(wǎng)負荷調(diào)節(jié)設(shè)備。

同時，超導(dǎo)體對核聚變發(fā)電也將產(chǎn)生重大影響。我們知道，核聚變會產(chǎn)生巨大的能量；然而，要在地面實現(xiàn)能受控的核聚變熱核反應(yīng)，現(xiàn)在還有不少困難。難題之一，就是需要將反應(yīng)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(shè)計出了磁封閉式的核聚變反應(yīng)堆，但必須采用超導(dǎo)強磁體才能將其變?yōu)楝F(xiàn)實。一些科學(xué)家指出，如果核聚變發(fā)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(yīng)系統(tǒng)：由交流超導(dǎo)發(fā)電機、超導(dǎo)磁流體發(fā)電機和超導(dǎo)磁場控制的核聚變發(fā)電裝置發(fā)出巨大電能：通過超導(dǎo)輸電線、超導(dǎo)變電站組成的輸電系統(tǒng)，把電流源源不斷送到所需要的地方。無論大都市、大城鎮(zhèn)乃至最偏僻的鄉(xiāng)村，無論工業(yè)、商業(yè)、運輸業(yè)還是娛樂領(lǐng)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(yīng)用外，超導(dǎo)材料的弱電應(yīng)用和抗磁性應(yīng)用也極廣泛。用超導(dǎo)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(fā)出大量的熱。用超導(dǎo)材料制作的超導(dǎo)計算機中的超大規(guī)模集成電路，其元件間的互連線是接近零電阻的超微發(fā)熱的超導(dǎo)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(dǎo)，世界正日益變得奇妙。

責(zé)任編輯 蒲 暉