超导体的超能力

黄萍

同学们，在四年级科学上册第四单元《导体和绝缘体》中，我们已经知道像铁钉、铝箔等物品容易导电，被称为导体;像塑料尺、干燥的竹签等物品不容易导电，被称为绝缘体。本期，黄老师给大家介绍另一个小伙伴——超导体。“超”字体现出它有很强的能力，那这种能力是什么呢？不着急，我们慢慢来看。

不知道同学们有没有这样的体验：妈妈可以通过电视机的温度来判断你是否偷偷看过电视;游戏玩久了，手机就会特别烫……这些都是为什么呢？

相信很多同学通过阅读科普书籍，知道物质由分子组成（例如，水由水分子组成，氧气由氧分子组成），这些分子又由原子组成。伟大的物理学家卢瑟福经过一系列研究，提出原子内部还有原子核（处于原子中心）和核外电子。电流的产生靠的就是原子核外这些自由移动的电子。

试想，冬天我们手冷的时候，把两只手放在一起搓一搓就暖和一点了，这就是摩擦生热。我们在使用电器时，导线中的电子由于不规则的运动会相互碰撞，并且和导线也会发生“摩擦”，这种“摩擦”就是电阻，是电器、电线发热的内在原因。类似人在路上随意行走，横冲直撞，行人间势必发生碰撞，阻碍彼此前进。在彼此阻碍的过程中，双方就会生气发火，体温升高。我们还可以想象成在早高峰的路上，汽车都堵在路上，向前走不了。车，烧油发热;人，心急上火！这个“热”，对于车和人而言都是一种消耗;对于电器来说，由于电阻的阻碍而产生的热量更是一种消耗。电阻产生的热量浪费了很多电能。

事实上，电在从发电厂赶往工厂、住宅、学校的路上，就已经被输电线自带的电阻消耗了不少。据新华社报道，我国每年比发达国家在输电线上多损失的电量就有450亿千瓦·时，相当于中部一个省全年的用电量。而这一切的根源，就是电阻的存在。

这个时候，就需要找出一种不会阻碍电能运输的导体，从而消除电能的损耗。它，就是超导体。

1911年，荷兰物理学家昂尼斯用液氦冷却汞，当温度下降到-268.95℃时，汞的电阻完全消失。昂尼斯将这种现象命名为超导电性，并因此获得1913年诺贝尔物理学奖。

同学们或许会问：为什么会出现电阻消失的现象？其内在原因是一个非常深奥的物理问题。对于交通的拥挤，城市建设者提出的解决方案是建立更多并行的交通网络（立交桥、地铁）来缓减拥堵，但只是缓减，并没有从根本上消除。

在微观物质世界中，超导材料中的电子却有独特的秘訣来完全消除电阻，它们信奉的口号是：“遇事不决，量子力学！”在量子力学的帮助下，超导材料的两个电子会进行两两配对，你拉我，我拉你，形成一个消除干扰的屏蔽势能，一起畅通无阻地向前走。

由于没有电阻，电流通过超导体时，就没有能量损失。利用超导体制成的导线可以降低电能的损耗，提高电能的利用率。据测算，目前采用铜或铝导线的输电损耗约为15%，我国每年的输电损耗就达1000亿千瓦·时左右。如果采用超导输电线，每年节省的电量相当于数十个发电厂的发电量。但是，超导体最大的问题是需要非常低的温度。目前已经使用的超导材料都需要一直浸泡在液氮里来实现零电阻。

虽然受到低温的限制，但超导材料仍然在人类社会中有极其广泛的应用。人们利用超导材料的零电阻特性来设计超导电缆，发展高场磁体，如医院里常用的核磁共振成像仪就是使用了超导材料。另外，人们利用超导材料的另一个特性——完全抗磁性，建造磁悬浮列车。世界上很多大型的科学仪器也离不开超导材料。可以说，超导材料是未来科技发展的重要驱动力。

无数科学家穷尽其毕生的力量，在寻找室温条件下就可以实现零电阻的超导材料。如果可以发现这种材料，社会将更快速地发展，能源危机也会得到极大的改善。同学们，你们将来想参与超导材料的研究吗？

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