导体与温度有关系,绝大多数导体随着温度升高,电阻会增大。同样,随着温度减小,电阻会减小。当温度达到足够低时,电阻变为零的现象,叫做超导现象。这个现场是1911年,荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现,将汞冷却到-268.98时,汞的电阻突然消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性,由于它的特殊导电性能,H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失,被称作零电阻效应。
为什么会出现超导现象呢?我们还是以金属为例,从原子结构来分析产生的原因。
当物质进入超导状态时,由于温度很低,核外电子绕核运动的速度很慢,电子绕核运动产生的磁场很弱,这时原子核产生的磁场与电子绕核运动产生的磁场在原子的边沿上相互抵消,几乎为零,电子在零磁场中运动就不会受到洛仑兹力的作用,因此电阻为零。并且相邻原子之间因电子绕核运动产生的磁引力消失了,在原子核产生的磁场的作用下,相邻原子中的电子转变成了同向绕核运动,使得最外层电子很容易从一个原子移动到另一个原子。
在原子之间失去了电子绕核运动产生的磁引力的情况下,原子之间的作用力变得很小,使得原子很容易发生转动,原子核发生了磁极同向排列。在原子核磁极发生同向排列的情况下,这时电子绕核运动的方向变得相同了,电子从一个原子到另一个原子不需要改变运动方向,电子的移动路线是直线,并且又是在零磁场中运动,所以没有阻力故没有电阻。简而言之
就是低温使杂乱无章的原子或原子核排列整齐 从而减小自由电子运动的阻力 即电阻 使电阻为零。
同学知道,导线有电阻是电能输送过程中能量损失主要原因,因此对于超导体电阻为零,一旦人类研究成功,在电脑能输送上能量损失几乎为零。这对人类能量利用具有重大意义,因此超导体会从下面几个方面给人类带了巨大作业:
第一、用来做导线。用超导材料输电发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻,使电流通过输电线时电能被消耗一部分,如果用超导材料做成超导电缆用于输电,那么在输电线路上的损耗将降为零。
第二、超导发电机。制造大容量发电机,关键部件是线圈和磁体。由于导线存在电阻,造成线圈严重发热,如何使线圈冷却成为难题。如果用超导材料制造超导发电机,线圈是由无电阻的超导材料绕制的,根本不会发热,冷却难题迎刃而解,而且功率损失可减少50%。
第三、超导磁体。磁力悬浮高速列车要使列车速度达到500km•h-1,普通列车是绝对办不到的。如果把超导磁体装在列车内,在地面轨道上敷设铝环,利用它们之间发生相对运动,使铝环中产生感应电流,从而产生磁排斥作用,把列车托起离地面约10cm,使列车能悬浮在地面上而高速前进。
第四、可控热核聚变可实现。可控热核聚变核聚变时能释放出大量的能量。为了使核聚变反应持续不断,必须在108下将等离子约束起来,这就需要一个强大的磁场,而超导磁体能产生约束等离子所需要的磁场。人类只有掌握了超导技术,才有可能把可控热核聚变变为现实,为人类提供无穷的能源。
人类一种在寻找超高温超导体,这是一门新型材料科学。1986年柏诺兹和缪勒发现了35K
超导的鑭钡铜氧体系。这一突破性发现导致了更高温度的一系列稀土钡铜氧化物超导体的发现。通过元素替换,1987年初美国吴茂昆(朱经武)等和我国物理所赵忠贤等宣布了90K
钇钡铜氧超导体的发现,第一次实现了液氮温度(77
K)这个温度壁垒的突破。柏诺兹和缪勒也因为他们的开创性工作而荣获了1987年度诺贝尔物理学奖。
2004年1月29日,美国标准技术研究院和美国科罗拉多大学的科学家组成的联合研究小组提出一种新的物质形态——费米子凝聚态,并预言它将帮助人类做出下一代超导体。2006年,日本东京工业大学细野秀雄教授合成以铁为超导主体的化合物LaFeOP,开创了对铁基超导体的研究。2012年9月,德国莱比锡大学发现石墨颗粒能在室温下表现出超导性。
最近印度科学院固体物理和结构化学系的 Anshu Pandey 教授和他的博士生 Dev
Kumar。他们在发表的学术论文中表示,他们获得了一种由金和银构成的纳米级复合材料可以在常温常压下实现超导。印度的国人和科学家难掩兴奋。但是这篇论文却造到科学大咖们质疑,指出印度科学家论文中的两组相互独立的关键数据竟出现完全一样的随机测量误差,不过,我们期望得到更多实验室结果,毕竟10-4欧姆,但不是零。
同学们,努力学习吧,希望在你们手里发现常温下超导体,从而让中国物理学诺贝尔奖在你们手里现实零的突破!