零电阻的神秘材料——超导材料

■文/南京市旭日景城小学 王瑜

同学们，你们听说过“巨型胶囊”吗？早在2013 年，世界上第一个多端柔性直流输电工程在我国的汕头市南澳投运了。今年8 月,“巨型胶囊”终于走出了实验室，和大家见面了。“巨型胶囊”其实是一个直流限流器，利用超导材料独特的“零电阻”和“超导态-正常态转变”特性，它可以不依赖任何监测装置，在感应到故障电流的瞬间响应触发，自动完成全部限流保护过程，并在故障清除后自动恢复超导特性。这家伙在正常运行时就像一根隐形的导线，没有电阻，一旦发生短路故障，将在眨眼间（1 毫秒内）迅速转为大电阻，起到限制故障电流的作用，这就是超导材料的奥妙。

超导材料究竟是什么呢？今天，我们就跟着南京市旭日景城小学的王瑜老师，一起走近“零电阻的神秘材料”——超导材料。

教师简介

王瑜

南京市旭日景城小学科学教师，在课堂上立足儿童视角，拓展儿童科学思维。先后获得鼓楼区科学学科优秀青年教师、鼓楼区科学学科带头人等荣誉称号。

超导材料的自我介绍

同学们，很高兴认识你们，请允许我先做个自我介绍。我叫“超导材料”，我的发现是一个意外——1911 年，开默林·昂内斯发现当水银温度降到绝对温度4.2K（-268.8℃）时，水银电阻值发生了奇妙的变化，电阻值消失了，变成了零。正是这个意外，让我正式和人类见面。科学家认为，当外界温度发生变化时，有些材料会出现完全没有电阻的特性，科学家们把这种现象叫作“超导电性”。于是，就有了我的名字——“超导材料”或是“超导体”，使我失去电阻的温度叫作“超导临界值”。

说到这里，我想问问大家，如果你是科学家，你想进一步研究什么呢？科学家也在苦思冥想：还有什么材料也是超导材料呢？能不能实现常温下的超导性呢？下面，就让我隆重推出我们“超导家族”的几个重要小伙伴（右图）。

能干的“高温超导材料”

大家是不是还觉得上面的几种超导材料的“超导临界值”太低了，根本就达不到室温。其实，如果某种材料的超导临界值达到77.4K（-195.75℃），它就可以在生产中具有使用价值了。因为超导材料可以在液氮的低温环境中使用，而液氮的生产工艺容易解决，而且氮原料取之不尽、用之不竭，成本低廉，便于在实际生产中推广应用。所以，科学家把“超导临界值”高于77.4K（-195.75℃）的超导材料叫作“高温超导材料”。

“前途无量”的超导材料

其实，在生活中的很多地方，同学们都能看见我们“超导体家族”的身影。今天，我就给大家介绍其中几位成员的丰功伟绩。

上海磁悬浮列车

发现时间 超导临界值 名称1973 年 32.4K（-249.92℃） 铌锗合金1987 年 90K（-185.1℃） 钇-钡-铜-氧1988 年 110K（-165.15℃） Bi-Sr-Cu-O 1988 年 -150.15℃ 铊系化合物1988 年 164K（-111.15℃） 汞系化合物

1磁悬浮

2003 年1 月4 日，上海首辆磁悬浮列车正式商业运营，列车最高时速达到430 千米，仅次于飞机。这其中就有我们“超导体家族”的功劳。磁悬浮列车的车身和底部使用的是稀土永磁体的超导磁体，轨道中埋设闭合铝环，产生同极电，产生的强大的排斥力使得车体悬浮起来，像一架超低空飞行的飞机高速行驶。

2超导电缆

电力无法储存、调借，存在着浪费的现象。据数据统计，发电量的浪费高达50%。这时，又轮到我们“超导体家族”出手了。我们可以化身为超导电缆，在输送电能的过程中可以最大限度地降低损耗，仅为传输功率的 0.5%，而常规电线电缆的损耗要达到 10%。而且高温超导电缆的容量比常规电缆提高3～5 倍、损耗下降60%，节约占地面积和空间。更为可观的是，总费用降低 20%，经济效益明显。超导电力技术是 21 世纪电力工业唯一的高技术储备，可有效解决能源短缺的问题。

3超导磁体

我们超导材料还可以制成超导磁体。超导磁体的优势是可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度。比如核磁共振成像（MRI），已被广泛地应用于医疗检测、诊断之中，成为最精确的医学检测手段之一。磁铁在甜甜圈形状的房子里，可以在中心洞中创造一个3 特斯拉的磁场。

今天，我带同学们认识了“超导体家族”，知道了它们的特征和作用。其实，自从超导现象被发现以来，人们就开始想象各种各样的超导材料应用在实际生活中的场景。超导现象有多种优良的性能，未来也必将给人们的生产、生活带来翻天覆地的变化，这很可能是第四次科技革命的开始。同学们，希望有一天，你们也能发现“超导体家族”的新成员。