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一把双刃剑超导体

时间:2022-02-11 理论教育 版权反馈
【摘要】:昂纳斯是一个出色的物理学教授。1882年,昂纳斯被任命为莱顿大学物理实验室负责人。持续的电流流动表面的超导体,排除磁场的磁铁,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。这一发现引起了世界范围内的轰动。两年后,昂纳斯因为这项重大的发现获得了诺贝尔奖。在昂纳斯之后,人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。在一定的低温下,超导体的电阻会突然消失,这种现象被称为零电阻效应。

电阻在我们的生活中充当的是一把双刃剑:白炽灯泡能亮是由于灯丝有电阻;但在输电线上,电阻越大,电的消耗也越大,所以人们希望导线的电阻越小越好。后来物理学家昂纳斯发现超导现象,从而使希望变成了可能。

20世纪初期,在荷兰莱顿大学,著名的低温物理学家卡末林·昂纳斯领导着他的实验小组,在一个魔术般的低温世界里进行实验。这里是世界上最冷的地方,因为实验室里制造出来的低温,比南极或北极的最低温度(-88℃)还要低几倍。

昂纳斯是一个出色的物理学教授。1882年,昂纳斯被任命为莱顿大学物理实验室负责人。不久,他建立了世界上第一个低温实验室。

要进行低温方面的实验,首先就要获得低温。低温要靠液化气体获得。当时科学家已经能把除了氦气以外的气体全部都变为液态。利用液态氢,已获得-253℃的低温。

卡末林·昂纳斯

昂纳斯决心获得更低的温度。但是,要使氦气变成液态,困难还很大。例如在液体氦的温度下,连空气都会变成固体,如果不小心与空气接触,空气便会立刻在液体氦的表面上结成一层坚硬的盖子。

昂纳斯没有被困难吓倒,他知道低温不是一下子就能获得的,必须沿着温度的台阶一步一步地向下走,温度越低就越困难。昂纳斯先用液化氯甲烷达到-90℃,用乙烯达到-145℃,用氧气达到-183℃,用氢气达到-253℃。终于在1908年成功地实现了最后一种永久气体——氦气的液化,得到了-269℃的低温。在这以后,他用液氦抽真空的方法,得到-272℃。

这个温度属于超低温,当时世界上只有莱顿大学的低温实验室可以得到这样的低温。昂纳斯和他的同伴在这得天独厚的条件下进行极低温度下的各种现象的研究。他们发现水银、铅、锡等金属在温度降到一定程度以下时,电阻会突然消失,变成超导电性物体。

在一个浅平的锡盘中,放入一个体积很小但磁性很强的永磁体,然后把温度降低,使锡盘出现超导性。持续的电流流动表面的超导体,排除磁场的磁铁,人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。

如果用这种超导体做成线圈,这个线圈中一旦产生了电流,电流就会永远存在,因为电阻已经消失,电流不会在流动中衰减。昂纳斯把一个铅制的线圈放在液体氦中,铅圈旁放一块磁铁,突然把磁铁撤走,根据法拉第电磁感应,铅圈内便产生了感应电流。果然,在低温的条件下,电流不断地沿着铅圈转起来,就像一匹不知疲倦的马一样。

设想的金属盐超导体

1911年,卡末林·昂纳斯意外地发现,将汞冷却到-269℃时,汞的电阻突然消失了!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,昂纳斯称之为超导态。这一发现引起了世界范围内的轰动。两年后,昂纳斯因为这项重大的发现获得了诺贝尔奖。在昂纳斯之后,人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。

1954年3月的一次类似实验,电流持续了长达两年半的时间,一直到了1956年9月才由于液态氦供应不上而终止。理论计算表明,如果保持这种低温条件,电流就是流10万年也不会衰减。如今,超导的研究成果已在科研、医疗、交通、通信、军事、电力和能源等领域得到了广泛的应用。

学海拾贝

在一定的低温下,超导体的电阻会突然消失,这种现象被称为零电阻效应。导体没有了电阻,电流流经超导体时就不发生热损耗,这样当强电流毫无阻力地在超导体中流通,就会产生超强磁场。

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