超導(dǎo)體的超能力

黃萍

同學(xué)們，在四年級(jí)科學(xué)上冊(cè)第四單元《導(dǎo)體和絕緣體》中，我們已經(jīng)知道像鐵釘、鋁箔等物品容易導(dǎo)電，被稱為導(dǎo)體;像塑料尺、干燥的竹簽等物品不容易導(dǎo)電，被稱為絕緣體。本期，黃老師給大家介紹另一個(gè)小伙伴——超導(dǎo)體。“超”字體現(xiàn)出它有很強(qiáng)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(xué)們有沒有這樣的體驗(yàn)：媽媽可以通過電視機(jī)的溫度來判斷你是否偷偷看過電視;游戲玩久了，手機(jī)就會(huì)特別燙……這些都是為什么呢？

相信很多同學(xué)通過閱讀科普書籍，知道物質(zhì)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(xué)家盧瑟福經(jīng)過一系列研究，提出原子內(nèi)部還有原子核（處于原子中心）和核外電子。電流的產(chǎn)生靠的就是原子核外這些自由移動(dòng)的電子。

試想，冬天我們手冷的時(shí)候，把兩只手放在一起搓一搓就暖和一點(diǎn)了，這就是摩擦生熱。我們?cè)谑褂秒娖鲿r(shí)，導(dǎo)線中的電子由于不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)會(huì)相互碰撞，并且和導(dǎo)線也會(huì)發(fā)生“摩擦”，這種“摩擦”就是電阻，是電器、電線發(fā)熱的內(nèi)在原因。類似人在路上隨意行走，橫沖直撞，行人間勢(shì)必發(fā)生碰撞，阻礙彼此前進(jìn)。在彼此阻礙的過程中，雙方就會(huì)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(gè)“熱”，對(duì)于車和人而言都是一種消耗;對(duì)于電器來說，由于電阻的阻礙而產(chǎn)生的熱量更是一種消耗。電阻產(chǎn)生的熱量浪費(fèi)了很多電能。

事實(shí)上，電在從發(fā)電廠趕往工廠、住宅、學(xué)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(bào)道，我國(guó)每年比發(fā)達(dá)國(guó)家在輸電線上多損失的電量就有450億千瓦·時(shí)，相當(dāng)于中部一個(gè)省全年的用電量。而這一切的根源，就是電阻的存在。

這個(gè)時(shí)候，就需要找出一種不會(huì)阻礙電能運(yùn)輸?shù)膶?dǎo)體，從而消除電能的損耗。它，就是超導(dǎo)體。

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

同學(xué)們或許會(huì)問：為什么會(huì)出現(xiàn)電阻消失的現(xiàn)象？其內(nèi)在原因是一個(gè)非常深?yuàn)W的物理問題。對(duì)于交通的擁擠，城市建設(shè)者提出的解決方案是建立更多并行的交通網(wǎng)絡(luò)（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(zhì)世界中，超導(dǎo)材料中的電子卻有獨(dú)特的秘訣來完全消除電阻，它們信奉的口號(hào)是：“遇事不決，量子力學(xué)！”在量子力學(xué)的幫助下，超導(dǎo)材料的兩個(gè)電子會(huì)進(jìn)行兩兩配對(duì)，你拉我，我拉你，形成一個(gè)消除干擾的屏蔽勢(shì)能，一起暢通無阻地向前走。

由于沒有電阻，電流通過超導(dǎo)體時(shí)，就沒有能量損失。利用超導(dǎo)體制成的導(dǎo)線可以降低電能的損耗，提高電能的利用率。據(jù)測(cè)算，目前采用銅或鋁導(dǎo)線的輸電損耗約為15%，我國(guó)每年的輸電損耗就達(dá)1000億千瓦·時(shí)左右。如果采用超導(dǎo)輸電線，每年節(jié)省的電量相當(dāng)于數(shù)十個(gè)發(fā)電廠的發(fā)電量。但是，超導(dǎo)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(dǎo)材料都需要一直浸泡在液氮里來實(shí)現(xiàn)零電阻。

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

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

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