零電阻的神秘材料
——超導(dǎo)材料

■文/南京市旭日景城小學(xué) 王瑜

同學(xué)們，你們聽說過“巨型膠囊”嗎？早在2013 年，世界上第一個(gè)多端柔性直流輸電工程在我國的汕頭市南澳投運(yùn)了。今年8 月,“巨型膠囊”終于走出了實(shí)驗(yàn)室，和大家見面了。“巨型膠囊”其實(shí)是一個(gè)直流限流器，利用超導(dǎo)材料獨(dú)特的“零電阻”和“超導(dǎo)態(tài)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變”特性，它可以不依賴任何監(jiān)測(cè)裝置，在感應(yīng)到故障電流的瞬間響應(yīng)觸發(fā)，自動(dòng)完成全部限流保護(hù)過程，并在故障清除后自動(dòng)恢復(fù)超導(dǎo)特性。這家伙在正常運(yùn)行時(shí)就像一根隱形的導(dǎo)線，沒有電阻，一旦發(fā)生短路故障，將在眨眼間（1 毫秒內(nèi)）迅速轉(zhuǎn)為大電阻，起到限制故障電流的作用，這就是超導(dǎo)材料的奧妙。

超導(dǎo)材料究竟是什么呢？今天，我們就跟著南京市旭日景城小學(xué)的王瑜老師，一起走近“零電阻的神秘材料”——超導(dǎo)材料。

教師簡介

王瑜

南京市旭日景城小學(xué)科學(xué)教師，在課堂上立足兒童視角，拓展兒童科學(xué)思維。先后獲得鼓樓區(qū)科學(xué)學(xué)科優(yōu)秀青年教師、鼓樓區(qū)科學(xué)學(xué)科帶頭人等榮譽(yù)稱號(hào)。

超導(dǎo)材料的自我介紹

同學(xué)們，很高興認(rèn)識(shí)你們，請(qǐng)?jiān)试S我先做個(gè)自我介紹。我叫“超導(dǎo)材料”，我的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)意外——1911 年，開默林·昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)當(dāng)水銀溫度降到絕對(duì)溫度4.2K（-268.8℃）時(shí)，水銀電阻值發(fā)生了奇妙的變化，電阻值消失了，變成了零。正是這個(gè)意外，讓我正式和人類見面?？茖W(xué)家認(rèn)為，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，有些材料會(huì)出現(xiàn)完全沒有電阻的特性，科學(xué)家們把這種現(xiàn)象叫作“超導(dǎo)電性”。于是，就有了我的名字——“超導(dǎo)材料”或是“超導(dǎo)體”，使我失去電阻的溫度叫作“超導(dǎo)臨界值”。

說到這里，我想問問大家，如果你是科學(xué)家，你想進(jìn)一步研究什么呢？科學(xué)家也在苦思冥想：還有什么材料也是超導(dǎo)材料呢？能不能實(shí)現(xiàn)常溫下的超導(dǎo)性呢？下面，就讓我隆重推出我們“超導(dǎo)家族”的幾個(gè)重要小伙伴（右圖）。

能干的“高溫超導(dǎo)材料”

大家是不是還覺得上面的幾種超導(dǎo)材料的“超導(dǎo)臨界值”太低了，根本就達(dá)不到室溫。其實(shí)，如果某種材料的超導(dǎo)臨界值達(dá)到77.4K（-195.75℃），它就可以在生產(chǎn)中具有使用價(jià)值了。因?yàn)槌瑢?dǎo)材料可以在液氮的低溫環(huán)境中使用，而液氮的生產(chǎn)工藝容易解決，而且氮原料取之不盡、用之不竭，成本低廉，便于在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。所以，科學(xué)家把“超導(dǎo)臨界值”高于77.4K（-195.75℃）的超導(dǎo)材料叫作“高溫超導(dǎo)材料”。

“前途無量”的超導(dǎo)材料

其實(shí)，在生活中的很多地方，同學(xué)們都能看見我們“超導(dǎo)體家族”的身影。今天，我就給大家介紹其中幾位成員的豐功偉績。

上海磁懸浮列車

發(fā)現(xiàn)時(shí)間 超導(dǎo)臨界值 名稱1973 年 32.4K（-249.92℃） 鈮鍺合金1987 年 90K（-185.1℃） 釔-鋇-銅-氧1988 年 110K（-165.15℃） Bi-Sr-Cu-O 1988 年 -150.15℃ 鉈系化合物1988 年 164K（-111.15℃） 汞系化合物

1磁懸浮

2003 年1 月4 日，上海首輛磁懸浮列車正式商業(yè)運(yùn)營，列車最高時(shí)速達(dá)到430 千米，僅次于飛機(jī)。這其中就有我們“超導(dǎo)體家族”的功勞。磁懸浮列車的車身和底部使用的是稀土永磁體的超導(dǎo)磁體，軌道中埋設(shè)閉合鋁環(huán)，產(chǎn)生同極電，產(chǎn)生的強(qiáng)大的排斥力使得車體懸浮起來，像一架超低空飛行的飛機(jī)高速行駛。

2超導(dǎo)電纜

電力無法儲(chǔ)存、調(diào)借，存在著浪費(fèi)的現(xiàn)象。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)電量的浪費(fèi)高達(dá)50%。這時(shí)，又輪到我們“超導(dǎo)體家族”出手了。我們可以化身為超導(dǎo)電纜，在輸送電能的過程中可以最大限度地降低損耗，僅為傳輸功率的 0.5%，而常規(guī)電線電纜的損耗要達(dá)到 10%。而且高溫超導(dǎo)電纜的容量比常規(guī)電纜提高3～5 倍、損耗下降60%，節(jié)約占地面積和空間。更為可觀的是，總費(fèi)用降低 20%，經(jīng)濟(jì)效益明顯。超導(dǎo)電力技術(shù)是 21 世紀(jì)電力工業(yè)唯一的高技術(shù)儲(chǔ)備，可有效解決能源短缺的問題。

3超導(dǎo)磁體

我們超導(dǎo)材料還可以制成超導(dǎo)磁體。超導(dǎo)磁體的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)導(dǎo)體材料無法實(shí)現(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)梯度和磁場(chǎng)均勻度。比如核磁共振成像（MRI），已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療檢測(cè)、診斷之中，成為最精確的醫(yī)學(xué)檢測(cè)手段之一。磁鐵在甜甜圈形狀的房子里，可以在中心洞中創(chuàng)造一個(gè)3 特斯拉的磁場(chǎng)。

今天，我?guī)瑢W(xué)們認(rèn)識(shí)了“超導(dǎo)體家族”，知道了它們的特征和作用。其實(shí)，自從超導(dǎo)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，人們就開始想象各種各樣的超導(dǎo)材料應(yīng)用在實(shí)際生活中的場(chǎng)景。超導(dǎo)現(xiàn)象有多種優(yōu)良的性能，未來也必將給人們的生產(chǎn)、生活帶來翻天覆地的變化，這很可能是第四次科技革命的開始。同學(xué)們，希望有一天，你們也能發(fā)現(xiàn)“超導(dǎo)體家族”的新成員。