超導(dǎo)電現(xiàn)象與超導(dǎo)體

姜敬來

[摘要]主要介紹超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生和超導(dǎo)體的應(yīng)用,同時結(jié)合高中教材分析一道關(guān)于超導(dǎo)體的習(xí)題。

[關(guān)鍵詞]超導(dǎo)電現(xiàn)象 超導(dǎo)體

中圖分類號:TN2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920034-01

1911年荷蘭萊登實(shí)驗(yàn)室的昂尼斯(H.N.Onnes),在測量低溫下水銀的電阻率的時候發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度降到4.2K時,水銀的電阻率急劇下降,以至完全測不出來(當(dāng)時的測量精度為10-5歐)。這種現(xiàn)象叫超導(dǎo)點(diǎn)現(xiàn)象。

根據(jù)電阻變化情況,昂尼斯認(rèn)為水銀在4.2K(當(dāng)時將4.15K誤認(rèn)為4.2K)以下進(jìn)入了一個新的物態(tài),并將之定義為超導(dǎo)態(tài)。能夠產(chǎn)生超導(dǎo)態(tài)的物體稱為超導(dǎo)體。目前已經(jīng)探明有26種元素、幾千種合金和化合物可成為超導(dǎo)體。

通常將材料出現(xiàn)超導(dǎo)性的最初溫度稱為臨界溫度,論作Tc,溫度高于Tc時,材料處于正常態(tài),具有一定的電阻;溫度低于Tc時,材料處于超導(dǎo)態(tài),幾乎沒有電阻。

處于超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)具有特殊的電磁性質(zhì),主要是零電阻性和完全抗磁性。

目前人們能檢測電阻率的最小值為10-27歐·米當(dāng)超導(dǎo)體在臨界溫度Tc以下處于超導(dǎo)態(tài)時,其電阻率小于10-27歐·米,導(dǎo)體上的電流不產(chǎn)生熱效應(yīng),沒有能量消耗。有人曾將一個用超導(dǎo)體制成的圓環(huán),放入溫度低于Tc的空間,并利用電磁感應(yīng),在環(huán)內(nèi)激勵起感應(yīng)電流。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是,處于超導(dǎo)態(tài)時,電流維持了兩年半而沒有衰減。將溫度升高后(高于Tc),圓環(huán)材料由超導(dǎo)態(tài)變?yōu)檎B(tài),電阻驟然加大,電流立即消失。

超導(dǎo)體具有完全抗磁性的原因:在增加外磁場的過程中,超導(dǎo)體的表面產(chǎn)生了超導(dǎo)電流,超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度將體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度完全抵消掉了。當(dāng)外磁場穩(wěn)定時,超導(dǎo)體表面的超導(dǎo)電流也穩(wěn)定,并一直持續(xù)下去,使超導(dǎo)體內(nèi)部始終保持B=0。

因?yàn)槌瑢?dǎo)體具有這些優(yōu)良的特性。從本世紀(jì)初被發(fā)現(xiàn)后,一直為世人所矚目,成為探索和研究的熱門課題。自從1988年發(fā)現(xiàn)臨界溫度30K的陶瓷超導(dǎo)體后,超導(dǎo)研究日新月異,一系列高溫超導(dǎo)相繼被開發(fā)。高溫超導(dǎo)材料的不斷問世,為超導(dǎo)材料從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用鋪平了道路。

超群的超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲能。

由于超導(dǎo)材料在超導(dǎo)狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性,因此只需消耗極少的電能,就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場。而用常規(guī)導(dǎo)體做磁體,要產(chǎn)生這么大的磁場,需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水,投資巨大。

超導(dǎo)磁體可用于制作交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、磁流體發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)輸電線路等。

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。在電力領(lǐng)域,利用超導(dǎo)線圈磁體可以將發(fā)電機(jī)的磁場強(qiáng)度提高到5萬～6萬高斯,并且?guī)缀鯖]有能量損失,這種發(fā)電機(jī)便是交流超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)發(fā)電容量比常規(guī)發(fā)電機(jī)提高5～10倍,達(dá)1萬兆瓦,而體積卻減少1/2,整機(jī)重量減輕1/3,發(fā)電效率提高50%。

磁流體發(fā)電機(jī)。磁流體發(fā)電機(jī)同樣離不開超導(dǎo)強(qiáng)磁體的幫助。磁流體發(fā)電發(fā)電,是利用高溫導(dǎo)電性氣體(等離子體)作導(dǎo)體,并高速通過磁場強(qiáng)度為5萬～6萬高斯的強(qiáng)磁場而發(fā)電。磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡單,用于磁流體發(fā)電的高溫導(dǎo)電性氣體還可重復(fù)利用。

超導(dǎo)輸電線路。超導(dǎo)材料還可以用于制作超導(dǎo)電線和超導(dǎo)變壓器,從而把電力幾乎無損耗地輸送給用戶。據(jù)統(tǒng)計,目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電,約有15%的電能損耗在輸電線路上,光是在中國,每年的電力損失即達(dá)1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電,節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。

在我們高中階段對于超導(dǎo)體的要求不太高,考查超導(dǎo)體的主要特點(diǎn)是:零電阻性、完全抗磁性。

例1:下列說法中正確的是()

A.任何物質(zhì)的溫度降到某一值時都會出現(xiàn)電阻突然為零的現(xiàn)象

B.轉(zhuǎn)變溫度低于液氦溫度(4.2K)的超導(dǎo)體叫低溫超導(dǎo)體;轉(zhuǎn)變溫度高于液氦溫度的超導(dǎo)體叫高溫超導(dǎo)體

C.高溫超導(dǎo)體可以廣泛應(yīng)用于實(shí)際中

D.超導(dǎo)體的主要特性是零電阻性,因此當(dāng)把這種材料用來遠(yuǎn)距離輸電時能避免電能損失

解析:大多數(shù)金屬、合金及其氧化物都會出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,但不是任何物質(zhì)都會出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象,A項(xiàng)錯誤;轉(zhuǎn)變溫度高于液氦溫度(77K)的超導(dǎo)體叫高溫超導(dǎo)體,B項(xiàng)錯誤;高溫超導(dǎo)體目前的最高轉(zhuǎn)變溫度為125K,相當(dāng)于-148℃,與室溫相比還是極低的,因而還不能應(yīng)用于實(shí)際,C項(xiàng)錯誤;超導(dǎo)體的主要特性是零電阻性,即電流在其間流動時不受任何阻礙,不會因發(fā)熱而損失電能,故D項(xiàng)正確。

答案:D

點(diǎn)評:超導(dǎo)現(xiàn)象中的“高溫”是相對于絕對零度來說的,千萬別以為實(shí)際生活中的常溫低于超導(dǎo)現(xiàn)象中的“高溫”。

例2:1931年英國物理學(xué)家狄拉克從理論上預(yù)言:存在只有一個磁極的粒子,即“磁單極子”。1982年,美國物理學(xué)家卡不萊設(shè)計了一個磁單極子的實(shí)驗(yàn),他設(shè)想,如果一個只有N極的磁單極子從上向下穿過如圖所示的超導(dǎo)線圈,那么,從上向下看,超導(dǎo)線圈上將出現(xiàn)()。

A.先是逆時針方向,然后是順時針方向的感應(yīng)電流

B.先是順時針方向,然后是逆時針方向的感應(yīng)電流

C.順時針方向持續(xù)流動的感應(yīng)電流

D.逆時針方向持續(xù)流動的感應(yīng)電流

解析:當(dāng)磁單極子靠近環(huán)時感應(yīng)磁場與原磁場反向,感應(yīng)磁場向上,同理當(dāng)磁單極子遠(yuǎn)離環(huán)時,感應(yīng)磁場與原磁場同向,感應(yīng)磁場也向上,據(jù)安培定則知,可產(chǎn)生逆時針電流,又因環(huán)由超導(dǎo)體構(gòu)成,故D項(xiàng)正確。

答案:D

點(diǎn)評:由于超導(dǎo)體的零電阻性,故超導(dǎo)體不消耗電能,所以超導(dǎo)體內(nèi)的電流不會消失。

隨著科技水平的不斷發(fā)展,人們對于超導(dǎo)體的認(rèn)識將會更加全面了解將會更加深刻,超體也將會使我們的生活變的更加美好。