违反常规的现象：超导！了解一下超导磁体和超导的原理吧！

1911年，荷兰科学家昂纳斯把水银（汞）放在零下30℃使其凝固，然后做成一个线圈，向线圈内通入电流，并且不断地降低温度，想测试不同低温下线圈中的电磁性能有什么变化。温度一步一步下降，一直降到零下250℃时仍然没有变化。这种试验极其冗长又枯燥无味，但是昂纳斯和他的学生坚持试验。

有一天，昂纳斯的学生发现温度降到零下269℃时，奇迹出现了。此时，线圈中的电阻突然消失，通进的电流可以在线圈中永远流动，没有损失。开始，昂纳斯并不相信这个结果。他批评学生说：世界上的物质都有电阻，一定是你弄错了…于是，这位学生重复试验，测试数据证明，线圈中仍然没有电阻。这时，昂纳斯突然醒悟，有时奇迹就发生在看似不可能的事情中。

他亲自动手，反复试验，最终证明：在零下269℃时，水银线圈中的电阻为零。于是，他发表论文，向世界宣布，他发现了低温下材料的“零电阻”现象。这种材料取名“超导材料＂”。由于这一发现，他获得1913年诺贝尔物理奖。科学家通过研究，发现许多金属及其合金在接近绝对零度（零下273．15℃）时，都有超导现象。现在已发现的超导材料有几千种，但是能拉成丝做成电缆的超导材料并不多。最后，科学家筛选出两种可以拉成极细长丝的超导材料，做成超导电缆，它们是“铌钛合金”和“铌三锡合金”。日本用这种电缆制作成超体，装在列车上，靠超导磁性的强大排斥力把列车浮了起来，而做成世界上最快的“超导磁悬浮列车”。

超导磁体的两大特性

1．超导磁体的零电阻效应

超导材料做成的磁体，有一个最大的特点也是难点，就是必须在非常低的温度下才会出现零电阻超导现象。水银的超导温度是－269℃，称为水银的临界温度。这样的低温环境，需要在液体氦气中才能得到。氦气在空气和的中十分稀少，只占空气的十万分之五。把氦气分离出来，经过压缩冷却成液体，成本十分昂贵。我们知道，由正常导体组成的线圈回路中都是有电阻的，而电阻意味着电能的损耗，即电能转化为热能。

如果没有电源不断地向线圈补充能量，线圈中的电能会在极短时间里全部消耗电流衰减到零。如果线圈没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在线圈中通入一定量的电流，电流可以持续地存在下去。有人曾在超导材料做成的环形线圈中，使电流维持两年半之久而毫无衰减。零电阻效应是超导态的两个基本性质之一。正是这个特性，保证了向超导磁体内输人大于普通磁体十几倍以上的电流、产生十几倍以上的磁场，使列车悬浮起来。

2．超导磁体的完全抗磁性

超导磁体还有第二个基本特性，就是完全抗磁性。由于超导态的零电阻特性，在超导态物体内部不可能存在电场。因此，根据电磁感应定律，穿过零电阻导体的磁通量不可能改变。施加外磁场时，磁场不能进入理想导体。科学家原来以为，存在于超导磁体内的磁通量，在临界温度以下，仍然会存在于体内不被排除出来。1933年，迈斯纳等为了判断超导态的磁性是否完全由零电阻决定，进行了一项实验，揭示了超导态的另一个最基本特征。实验是把一个圆柱形样品在垂直于轴的磁场中冷却到超导态，并以小的检验线图检查样品四周的磁场分布，结果并不像如前所料，磁场保留在超导体内不变，而是相反，磁场完全消失。

这种将磁通从超导体中排出去的效应，称为“迈斯纳效应”，即超导体具有“完全抗磁性”。正是由于超导磁体的这两个特性，为超导磁体的扩大应用提供了条件。20世纪70年代，日本超导磁悬浮列车成功地进行了载人可行性试验。在车厢两侧安装强大的超导磁体，地上安放一系列金属环状线圈。当车辆行进时，车上的磁体的强磁场在地上的线圈中感应产生相同的磁极，两者的同性相斥力能将车厢浮起100毫米。车辆在特有的“直线电动机”牵引下无摩擦地前进，时速可达550千米，最高达到581千米，称得上“世界第一快车”。

超导现象与低温超导原理

日本磁悬浮列车试运行成功了，为什么不马上投人商业运行？其中一个重要原因是超导磁体必须在零下269℃的低温下运行，必须在液氦环境中，成本极其昂贵，影响列车运行成本。日本磁悬浮列车研究了40年，至今没有投入商业运行，主要是投资太大，运行和维修费用太高。日本经济专家计算，按现在低温超导技术的磁悬浮列车进行商业运作，将永远赔本。

有人要问：低温超导原理到底是什么？为了解决这个问题，1957年有3位科学家叫巴丁、库伯、施里弗，他们对低温超导原理进行了深入研究，最终提出一个超导理论一一“电子对理论”，又称BCS理论（以3人名字的第一个字母命名），成功解释了有关超导电性的物理性质。

它的理论中心是：在正常温度下，通入导线的电子是单独前进，就会有电阻，低温下导线中的电子都是成对运动的，因而不会产生电阻。看到这里，也许会糊涂了一—这算什么理论？其实，自从昂納斯发现低温超导理象后，人们发现，低温世界里隐藏着大量的奥秘，当温度逐步下降时，许多材料会发生有的物理变化。科学家争相探索，从面促使超导物理学的诞生。

当自由电子在由原子组成的晶格中做定向运动时，由于晶格結点上的原子在做不停无规则热振动，电子运动时，个别电子与晶格上的振动原子碰撞而改变方向，形成电阻。然而，若把金属冷却到临界温度以下，当两个电子结成对，就不可能与晶格原子发生碰撞，因而不形成电阻。这种解释似乎不可思议。但是，科学家库伯通过试验，发现单个电子在前进时同时产生自旋，就有可能撞上晶格被散射而产生电阻。

当两个电子结对时，会具有大小相等而方向相反的自旋，互相牵制，形成被束缚的“电子对”。这种有规则运动的电子对不受晶格阻碍，可以毫无阻力地流过导体，自由前进。这种“电子对”又称“库伯对”。在低温的金属中，电子排列成“库伯对”而导致超导电性。这就是人们一直在寻找的超导态物理现象的原理，也是建立超导电性微观理论最重要的物理概念。巴丁、库伯和施里弗3人完成了现代超导微观理论。并成功解释了有关超导电性的物理性质。正所谓“单个前进有电阻，结件成行才超导”。因此，他们获得1957年诺贝尔物理奖。