梦幻书院️ 科学小记者讲堂-神奇的超导材料

 

材料按照它们的导电性能，通常可以被分成绝缘体、半导体和导体。例如玻璃、橡胶不导电，属于绝缘体；电子器件中大量使用的硅在一定条件下导电，属于半导体；而绝大部分的金属则是电的良导体。导体的电阻非常小，不过并不为零。还有一些材料，当人们把它的温度将到一定程度之后，它就会进入另一种完全不同的物质状态——超导态，它的导电能力比导体更强大，实际上，是完全没有电阻！

1911年，昂内斯将汞（Hg）冷却到4.2K以下，发现汞的电阻突然完全消失了，至少，是下降到了当时仪器无法测量的最小值（图1）。为了测试这一结果，昂内斯设计了一个巧妙的实验，他把汞线圈闭合，并引入电流让其在这个闭合线圈里流动。按照人们的传统认识，线圈里的电阻会导致电流迅速消失，就好像摩擦力和空气阻力会导致自行车在水平的道路上自己停下一样。但结果却是这些电流一旦启动，就在汞线圈里不停地流动，完全没有停下来的意思——只要保持足够的低温就行了。昂內斯的团队对此感到万分惊讶，同样感到惊讶的还有当时的物理学界，他们因此授予了昂内斯教授1913年的诺贝尔物理学奖。

图1 金属汞在4.2K以下的零电阻态

图片来源：中国科学院科学传播研究中心

 

超导现象的另一个重要特征是所谓的“完全抗磁性”。这种现象是1933年德国物理学家瓦尔特·迈斯纳（Walther Meissner）与罗伯特·奥克森菲尔德（Robert Ochsenfeld）在测量超导锡样品外的磁场时发现的。你或许做过这样的实验：将铁粉洒在放有一块磁铁的纸上，这些粉末会整齐地排列出一道道线条，这表示铁会受到空间中磁力线的作用改变自己的磁性。而超导体的完全抗磁性则刚好相反，会完全排斥掉所有内部的磁力线，使其内部磁场恒等于零。如果你把一个小磁体靠近超导体，超导体会让外部的磁力线弯曲，不允许它们渗透到内部。这是因为在外加磁场中，超导体表面会产生电流，在超导体内部，这种感应电流产生的磁场与外部磁场刚好相反，从而刚好将其抵消掉。从另一个角度来说，相当于超导体内部的磁场“消失”了。如图，当超导体的温度高于临界温度时，材料内部有磁场穿过（图2），当温度低于临界温度时，超导材料内部会将磁力线排斥（图2）。超导体的这种完全抗磁性也被称为“迈斯纳效应”，它是除零电阻之外超导体表现出的另一个非常重要的特征。判断一种材料是否是超导体，必须看它是否同时具备零电阻和迈斯纳效应。

图2 超导体的迈斯纳效应

图片来源：Piotr Jaworski, http://zh.wikipedia.org/wiki/File:EfektMeisnera.svg

图片来源：Mai-Linh Doan, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Meissner_effect_p1390048.jpg

 

超导的零电阻和完全抗磁性令人们对超导现象产生了巨大好奇心，并和对超导应用怀有无限的憧憬。继汞之后随着研究的深入，超导家族愈来愈庞大，其成员逐渐扩展到众多的金属和合金超导材料，铜基超导材料、金属化合物超导材料和铁基超导材料等。围绕着这些超导材料的陆续发现，相关奇妙应用也随之诞生。

1.  超导电缆

电能是人类社会基础中的基础，而科技发展至今，电力的传输，至少大规模的电力传输，都仍然必须经过电力电缆来进行。常规的电力电缆都有电阻，从发电站到达我们的客厅，电缆的长度高达几千甚至上万公里，这就会使电能在通过这些电缆时产生巨大的能量损耗。一般高压线路在电力传输过程中产生的线路损耗率高达5%-8%。2012年，我国全社会用电总量累计约为5万亿千瓦时，这意味着电力传输中产生的损耗超过2500亿千瓦时，而三峡大坝一年的发电量也不过1000亿千瓦时左右。

如果采用高温超导材料进行电力传输，由于超导材料的零电阻特点，电力传输中的线路损耗将大大降低，导体损耗不足常规电缆的十分之一，即使算上为了维持超导状态而必须的制冷能量损耗，高温超导电缆的总运行损耗也不过是常规电缆的一半。并且，同等截面积高温超导电缆的电流输送能力是普通电缆的3-5倍，在大大提高电力运送能力的同时，还可以节约金属等常规电缆材料的使用。

低温的超导材料多数是金属或合金，所以有很好的延展性，更容易制成导线，不过，维持它们的超导状态需要很低的临界温度，需要用液氦来实现，提高了使用成本，也严重限制了低温超导材料的应用。因此，人们改用铜基高温超导材料来制作线材。不过这类材料属于陶瓷，延展性并不好，所以，通常是将这类材料以薄膜的形式覆盖在延展性更好的金属或合金上。第一代高温超导线带材是采用临界温度为110 K的铋－锶－钙－铜－氧材料（铋系），2001年5月，美国超导体公司、底特律爱迪生电力公司和意大利皮热里电缆系统公司通力合作，在底特律成功敷设长360多米的超导电缆，这成为世界上第一条超导输电线路。这个线路以123千克铋－锶－钙－铜－氧超导导线，取代了原有的9条8100千克电缆中的铜导线。但这种材料的性质和成本仍然不适合大规模工业应用，很快被人们放弃，转而研究第二代高温超导带材——钇－钡－铜－氧（钇系）。钇系高温超导材料有很高的临界电流密度，而且可以廉价的镍或镍合金，甚至普通不锈钢为基底，这大大降低了它的成本，也使高温超导材料的广泛应用成为可能。

目前，美国、日本、韩国、欧洲和中国都在展开高温超导电力线缆的研究与示范，使用的超导电缆多是由钡-铜-氧超导体系加铌和钛的合金导体组成，如图3。2008年，美国超导公司（AMSC）与耐克森公司合作，在纽约长岛电力局成功完成高温超导电缆示范项目，电缆的长度为600米，电压等级为138千伏，最大电流可达到3千安，可以满足30万家庭的用电需求。2013年，韩国首尔近郊成功应用了22.9千伏的超导电缆实际线路系统。我国曾经在2004年将一段75米长的高温超导电缆安装在甘肃长通电缆公司内为车间供电，2011年，这一电缆在超导变电站中运行。

图3 日本生产的Nb/Cu-7.5%Sn-0.4at%Ti超导电缆线

图片来源：Materialscientist, http://en.wikipedia.org/wiki/File:NbTi3SnTape.jpg

不过，尽管如此，超导电缆仍然需要复杂的制冷和循环系统来维持，导致它们相对传统的铜导线而言仍然显得“冷艳高贵”，成为制约超导电线电缆大规模商业化应用的主要因素。因此，进一步提高高温超导材料的临界温度，改进制冷系统等等工作，是科学家和工程师们正在努力解决的问题。

 

2.  超导磁铁及其应用

众所周知，一般的电磁铁是用金属导线密密地缠绕成线圈制成的，当线圈通电时，就会因法拉第电磁感应定律而产生垂直于线圈平面的磁场。线圈匝数越多，导线中的电流越大，产生的磁场就会越强。不过，一般电磁铁都是用铜线绕成，铜线中的电阻会使线圈在通电时发热，电流越强，发热量就越大，浪费的能源就越多。为了获得强大的磁场，人们必须将粗铜线缠绕成庞大而笨重的磁体，而且还需要不断地输入电流来克服电阻造成的发热损耗，保持磁力。

超导体没有电阻，所以电流可以在里面没有阻碍地流动，也不会因为电阻而产生热量。如果把超导体做成一个闭路环线并在里面引入电流，电流会在里面永不停歇地流动下去。并且，同样粗细的超导导线能够承载比铜线大得多的电流（日本住友电气开发的一种高温超导电线能够通过的电流密度是铜线的350倍）。如果将超导导线绕成线圈，就完美解决了横亘在超强磁场，以及线圈体积和能源损耗之间的矛盾，超导磁铁因此诞生。超导磁铁不但可以提供超强大的磁场，而且体积小，并不需要太多能源来维持，唯一需要做的就是保持低温。超导磁铁的这些优势，使它能够在许多地方发挥无与伦比的作用。如科研常用的变换离子回旋共振（FT-ICR）质谱仪就用到超导磁体（图4）。

图4 质谱仪中使用的超导磁体（圆柱形的低温恒温器内）

图片来源：Mkotl, http://en.wikipedia.org/wiki/File:SuperconductingMagnet.jpg

超导电机

无论是发电机还是电动机，内部的核心零件都是线圈和磁体。超导电机中的转子线圈采用超导体，产生的磁场密度大大高于普通电机，因此可以大幅度减少电机中铁的使用，也就让电机的重量和体积大幅减小。使用超导材料制造的电动机，还拥有巨大的输出功率密度（单位体积的输出功率）。比如美国超导公司（AMSC）和诺斯洛普格拉曼公司在2007年成功进行了36.5兆瓦（5万马力）的高温超导船舶推进电机负载测试。这种超导电机使美国军舰推进电机的额定功率翻了一番。如果在美国海军DDG-1000驱逐舰上使用2台这种高温超导电机，10万马力可以使其航速达到30节，而全舰重量可减轻近200吨。同时这种高温超导电机的尺寸仅为DDG-1000驱逐舰采用的普通电机的一半，更小的体积将为舰艇提供了更多的空间来装载人员、货物或装备，更可以节省大笔的燃料费用。

 

超导磁悬浮列车

磁悬浮列车的名字你一定不会陌生，这种列车悬浮在轨道上，导轨与机车之间没有任何接触。因为没有摩擦，磁悬浮列车的最高时速可以达到每小时550公里以上，相比轮轨高速列车最高时速400公里而言，无疑更加快速。此外，磁悬浮列车因为没有摩擦，因此运行过程非常安静平稳。

超导磁悬浮列车所利用的超导型电力悬浮系统是一种斥力悬浮系统。这种磁悬浮列车“悬浮”依靠的是车体上的超导磁铁，以及在起到铁轨作用的导轨侧壁内嵌的悬浮导向线圈（图5）。当列车快速运动时，车体上的超导磁铁会快速经过悬浮导向线圈的下半部分，由于下半部分的磁通量变化大于上半部分，根据楞次定律，会在线圈中感应出电流。下半部分将在电流的作用下产生与超导磁铁相同的磁极，而上半部分则刚好相反，结果是这两部分线圈对超导磁铁产生的磁力，一个向上排斥，一个向上吸引，将列车悬浮起来。因为超导线圈能够产生的磁场是常规电磁铁的好几倍，可以使车身悬浮在导轨上方10厘米处。由于悬浮导向线圈只有在超导磁铁运动并达到一定速度以后才能够在轨道上的感应线圈中感应出足够磁场使车身悬浮，所以列车在启动和停止过程中，需要靠轮子提供临时支撑和滑行，直到产生的磁力足够承载列车重量，才会收起车轮。

图5 磁悬浮列车的工作原理

图片来源：Yosemite, http://en.wikipedia.org/wiki/File:JR_Maglev-Lev.png

 

与常导磁悬浮技术相比，虽然超导型磁悬浮技术成本比较高，而且由于需要对超导电磁铁进行冷却等，技术复杂度也更高，目前还没有成熟的商业化项目。但是超导磁悬浮的高度是常导磁悬浮的10倍左右，在转弯或者发生震动等情况时，也不容易与轨道之间发生摩擦，这大大提高了它的安全性。

目前，出于经济性、可靠性和技术方面的原因，只有德国、日本和中国能够开发磁悬浮列车。上海磁悬浮示范运营线是世界第一条商业运营的高速磁悬浮线路，设计最高运行时速为431公里，采用的是德国Transrapid公司的常导磁悬浮技术。日本的山梨县试验线路使用的是低温超导磁悬浮技术，最高时速可达581公里，是目前为止世界上最快的列车线路。

 

超导磁铁的其他应用

不仅在磁悬浮列车上，超导磁铁以高效率产生大磁场的特点让它在生活中相当多的领域得到运用。例如在医院、研究所使用的核磁共振高分辨率成像技术上就使用了超导磁体。在粒子物理学的领域，欧洲的大型强子对撞机（LHC）中，也使用了超导磁体（图6），借助它产生的超强磁场使质子和反质子在一个环形通道中加速到接近光速，然后对撞在一起。

图6 超导四极电磁铁用于强子对撞机（左，橙色管道内部）和同步加速器储存环中的四极电磁铁（右）（另见彩图38）

图片来源：Flickr, http://en.wikipedia.org/wiki/File:LHC_quadrupole_magnets.jpg

Jjron, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Aust.-Synchrotron,-Quadrupole-Focusing-Magnet,-14.06.2007.jpg

 

 

来源：冯瑞华、鞠思婷著，《新材料》，科学普及出版社