超导电现象与超导体

2009-09-26姜敬来

新媒体研究 2009年18期

关键词：超导体发电机磁场

姜敬来

[摘要]主要介绍超导现象的产生和超导体的应用,同时结合高中教材分析一道关于超导体的习题。

[关键词]超导电现象超导体

中图分类号:TN2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920034-01

1911年荷兰莱登实验室的昂尼斯(H.N.Onnes),在测量低温下水银的电阻率的时候发现,当温度降到4.2K时,水银的电阻率急剧下降,以至完全测不出来(当时的测量精度为10-5欧)。这种现象叫超导点现象。

根据电阻变化情况,昂尼斯认为水银在4.2K(当时将4.15K误认为4.2K)以下进入了一个新的物态,并将之定义为超导态。能够产生超导态的物体称为超导体。目前已经探明有26种元素、几千种合金和化合物可成为超导体。

通常将材料出现超导性的最初温度称为临界温度,论作Tc,温度高于Tc时,材料处于正常态,具有一定的电阻;温度低于Tc时,材料处于超导态,几乎没有电阻。

处于超导态的物质具有特殊的电磁性质,主要是零电阻性和完全抗磁性。

目前人们能检测电阻率的最小值为10-27欧·米当超导体在临界温度Tc以下处于超导态时,其电阻率小于10-27欧·米,导体上的电流不产生热效应,没有能量消耗。有人曾将一个用超导体制成的圆环,放入温度低于Tc的空间,并利用电磁感应,在环内激励起感应电流。实验的结果是,处于超导态时,电流维持了两年半而没有衰减。将温度升高后(高于Tc),圆环材料由超导态变为正常态,电阻骤然加大,电流立即消失。

超导体具有完全抗磁性的原因:在增加外磁场的过程中,超导体的表面产生了超导电流,超导电流产生的磁感应强度将体内的磁感应强度完全抵消掉了。当外磁场稳定时,超导体表面的超导电流也稳定,并一直持续下去,使超导体内部始终保持B=0。

因为超导体具有这些优良的特性。从本世纪初被发现后,一直为世人所瞩目,成为探索和研究的热门课题。自从1988年发现临界温度30K的陶瓷超导体后,超导研究日新月异,一系列高温超导相继被开发。高温超导材料的不断问世,为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

超群的超导磁体。超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。

由于超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性,因此只需消耗极少的电能,就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体,要产生这么大的磁场,需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水,投资巨大。

超导磁体可用于制作交流超导发电机、磁流体发电机和超导输电线路等。

超导发电机。在电力领域,利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯,并且几乎没有能量损失,这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5～10倍,达1万兆瓦,而体积却减少1/2,整机重量减轻1/3,发电效率提高50%。

磁流体发电机。磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助。磁流体发电发电,是利用高温导电性气体(等离子体)作导体,并高速通过磁场强度为5万～6万高斯的强磁场而发电。磁流体发电机的结构非常简单,用于磁流体发电的高温导电性气体还可重复利用。

超导输电线路。超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器,从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计,目前的铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线路上,光是在中国,每年的电力损失即达1000多亿度。若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂。

在我们高中阶段对于超导体的要求不太高,考查超导体的主要特点是:零电阻性、完全抗磁性。

例1:下列说法中正确的是()

A.任何物质的温度降到某一值时都会出现电阻突然为零的现象

B.转变温度低于液氦温度(4.2K)的超导体叫低温超导体;转变温度高于液氦温度的超导体叫高温超导体

C.高温超导体可以广泛应用于实际中

D.超导体的主要特性是零电阻性,因此当把这种材料用来远距离输电时能避免电能损失

解析:大多数金属、合金及其氧化物都会出现超导现象,但不是任何物质都会出现超导现象,A项错误;转变温度高于液氦温度(77K)的超导体叫高温超导体,B项错误;高温超导体目前的最高转变温度为125K,相当于-148℃,与室温相比还是极低的,因而还不能应用于实际,C项错误;超导体的主要特性是零电阻性,即电流在其间流动时不受任何阻碍,不会因发热而损失电能,故D项正确。

答案:D

点评:超导现象中的“高温”是相对于绝对零度来说的,千万别以为实际生活中的常温低于超导现象中的“高温”。

例2:1931年英国物理学家狄拉克从理论上预言:存在只有一个磁极的粒子,即“磁单极子”。1982年,美国物理学家卡不莱设计了一个磁单极子的实验,他设想,如果一个只有N极的磁单极子从上向下穿过如图所示的超导线圈,那么,从上向下看,超导线圈上将出现()。