超导现象的发现者,低温物理学的奠基人:荷兰卡末林·昂内斯

平时使用电吹风,为什么时间一长,电源线会发热?原来都是电阻在作怪,因为电流在输电线中流动时,克服电阻就要消耗电能。发电厂发出的电通过电缆输送到各地,电能在长长的输电线上的损失会更大,能不能让输电线没有电阻呢?

在一定的低温下,电阻会发生什么变化呢?1908年,荷兰莱顿大学实验室主任昂内斯把实验室的全部研究项目都放在低温方面,让当时许多著名的科学家都难以理解。在他们看来,不管在何种低温下,都不会有什么离奇的事情发生。

但昂内斯坚定不移,仍然大胆地进行研究。1911年4月的一天,昂内斯正全神贯注地研究水银的低温性能:他先把液体水银冷却到-40℃,液体水银很快凝固成一条水银线;然后,他给水银线通上电流,并继续降低它的温度。

当温度降到-268.98℃时,奇迹出现了:水银的电阻突然消失——电阻为零。这时,电流在水银线中畅通无阻。昂内斯因此认为,这时水银进入了一种以零阻值为特征的新物态,他称之为“超导态”。

后来,昂内斯又发现许多金属和合金都具有和水银相类似的在低温下失去电阻的特性,于是他在1911年12月28日宣布了这一发现,并把这种零电阻的现象叫作超导现象,把处于超导状态的导体称为超导体。由于这一发现,昂内斯荣获1913年诺贝尔物理学奖。他在领奖演说中指出:低温下金属电阻的消失“不是逐渐的,而是突然的”。

昂内斯的发现吸引了更多科学家进行深入探索。1933年,德国物理学家迈斯纳和奥森菲尔德又共同发现,在小磁场中把金属冷却进入超导态时,体内的磁场便被排挤出去,结果体内磁感应强度为零。该现象称为“迈斯纳效应”,也叫“完全抗磁性”。这一发现非常有意义——此后,人们便用迈斯纳效应来判别物质是否具有超导性。

当磁场达到一定强度时,超导性就将破坏。而且,利用超导体的抗磁性,可以实现磁悬浮:把一块磁铁放在超导盘上,由于超导盘把磁感应线排斥出去,超导盘跟磁铁之间有排斥力,结果磁铁悬浮在超导盘的上方。这种超导悬浮在工程技术中是可以大大利用的,超导磁悬浮列车就是一例——让列车悬浮起来,与轨道脱离接触,这样列车在运行时几乎无摩擦力。1979年,日本国铁公司超导电磁悬浮实验车正式投入使用,时速达504千米。

1911年,昂内斯发现超导现象,使人们对极低温度下金属材料的导电性有了全新的认识。此后,人们对超导现象的探索始终没有停止:1911—1957年,“BCS理论”问世,是对超导电性机理的探索阶段;1958—1985年,是人类对超导技术应用的准备阶段;从1986年起,由于高温超导材料的发现,人类步入超导技术开发阶段,而昂内斯成为名副其实的“开山鼻祖”。

如今,超导技术已经在电能输送、电机制造、磁流体发电、超导线圈储能技术、超导磁悬浮列车、超导电子计算机、超导电子器件、超导磁体、地球物理探矿、地震探测、生物磁学、医学临床应用、军事等领域得到了应用。但这还只是序幕,超导研究与应用在21世纪将展现更加绚丽、辉煌的前景。

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