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图为超导悬浮滑板

高温超导是中国航天科工集团高速飞行列车项目核心技术之一。图为相关视频截图。 每小时4000公里,中国航天科工集团近日向外界透露的高速飞行列车快得着实让人瞠目结舌。大家在惊叹的同时,对其中应用到的技术非常感兴趣。高速飞行列车技术总负责人毛凯通过媒体,介绍了相关技术。他指出,高温超导磁悬浮技术是列车飞行的核心秘诀。实际上,应用这种技术,西南交通大学国家重点实验室已经建立了一条环形的高铁磁浮试验线,高温超导磁悬浮车在上面运行速度最高可达每小时1000公里。 与我们所熟知的上海磁悬浮列车和长沙磁悬浮列车通过电实现车体悬浮运行不同,航天科工正在研制的高速飞行列车和西南交大的高温超导磁悬浮列车是采用高温超导技术实现悬浮的,这为其最大限度减轻摩擦力,实现高速运行奠定了前提。因此,高温超导技术的发展水平制约着高速飞行列车和高温超导磁悬浮列车研制和应用。 高温超导中的高温是相对于零下270摄氏度的低温超导而言的,这里的高温其实是我们通常意义上的超低温,甚至达到-196摄氏度液氮的温度。 超导全称超导电性,是20世纪最伟大的科学发现之一,指的是某些材料在温度降低到某一临界温度,或超导转变温度以下时,电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体。上世纪80年代中后期,以赵忠贤为代表的中国科学家加入到国际高温超导竞争,他带领实验团队在钇钡铜氧中发现了临界转变温度93K的液氮温区超导体,实现了一个世界级突破,从-268.8摄氏度的液氦温区提高到-196摄氏度的液氮温区,意味着制冷难度和成本的大幅度降低。该成就为赵忠贤赢得了1989年国家自然科学一等奖。 在日本科学家发现铁基超导体后,赵忠贤带领团队将超导临界温度先是提高到显著超过40K的麦克米兰极限,之后创造了大块铁基超导体55K的最高临界温度纪录。2013年,赵忠贤因40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究再捧得国家自然科学奖一等奖。 2015年,赵忠贤荣获国际超导领域重要奖项马赛厄斯奖。2017年1月,他因在超导领域杰出的贡献,获得2016年度国家最高科学技术奖。 近年来,中国科学家在高温超导领域又陆续取得一系列突破。清华大学和中科院物理所的团队在仅有一个原子层的FeSe薄膜上发现了65K以上的超导电性,在上海交通大学、复旦大学、北京大学等研究团队的推动下,发现这类超导现象可能源于界面效应,还有可能出现100K以上的高温超导电性;2014年,吉林大学的研究人员从理论上预言一种化合物在高压下可实现191K的高温超导,将突破164K的临界温度纪录。 利用目前已发现的高温超导材料,研制相关设备,满足生产生活需求,让超导科技尽快造福人类,是我国科学家努力的重要方向。2017年3月和5月,国内首台基于国产YBCO超导带材的高温超导发电机经过了测试,电机运行良好,各项指标依据国标测试达到了预期值。该发电机由中科院电工所协同上海电气集团上海电机厂有限公司共同研制,电机高温超导带材绕制而成的跑道线圈结构运行温区为77K 为寻找新的、性能更优异的超导材料,科技部印发的《十三五材料领域科技创新专项规划》,明确把高温超导材料列为重点内容之一。找到室温超导体即室温下电阻为零的导电体是包括我国科学家在内的世界科学界共同努力的方向。这种超导体将给社会生产和生活很多领域带来根本性变革。多年来,中国超导科技工作者勇攀高峰,在世界超导科技竞争中表现优异。正如《科学》杂志在一篇题为《新超导体将中国物理学家推到最前沿》的文章中所说:如洪流般不断涌现的研究结果标志着在凝聚态物理领域,中国已经成为一个强国。

生活中处处都是超导材料,如铝、钙、锡、铅等,一些非金属材料在高压下也是超导体,如硅、硫、磷等。

科幻电影《阿凡达》不仅仅给我们带来了3D的震撼视觉享受,也为我们构想出了一个奇幻美丽的潘多拉世界。其中最令人难忘的场景莫过于一座座悬浮在云端的哈利路亚山,山上爬满粗壮的藤蔓,还有壁挂飞天的瀑布和神秘的大鸟,神奇的哈利路亚悬浮山还时常在空中发生移动!

究竟是什么神秘的力量能够悬空托起这一座座大山呢?电影中解释道,是因为山中蕴藏着一种叫做Unobtanium的神奇室温超导矿石,它借助母树附近的强大磁场悬托起了哈利路亚山。为了掠夺这种奇珍异宝,疯狂的人类甚至不惜一切代价欲摧毁那威人的家园。

那么,什么是超导材料?它为何有如此强大的磁悬浮力量?我们现实中的地球是否存在室温超导体呢?

js金沙国际,超导的力量

一块超导板甚至可以悬浮起相扑选手

超导,顾名思义就是超级导电的意思。超导材料具有许多独特的电、磁、热等物理特性,其中最典型的就是当降到足够低温度的时候,超导材料的电阻会突然变为零,假如在超导环中诱导出电流的话,电流将永久环流而几乎不衰减,而且也不会有任何发热现象。如果将超导体置于磁场环境下,超导感应电流的存在将使超导体内自动形成一个如金钟罩、铁布衫一样的屏蔽磁场,这有效抵消了外界磁场,导致超导体内磁场为零。这便是超导体的另一种特性完全抗磁性。

超导体对外磁场的抗拒会产生作用力,同时磁场对超导体也存在反作用力,而且越靠近磁体,该作用力增加得越多,因此将超导体置于磁场上方的合适高度就可以达到抗磁力与重力的平衡,从而把超导体悬浮在空中这就是超导磁悬浮的原理。尽管悬浮现象在生活中比比皆是,但来自完全抗磁性的超导磁悬浮无疑是最强的悬浮力量之一,一块见方大小的超导板甚至可以悬浮起重量级的相扑选手。

超导的条件

临界温度低得可怜

超导材料具有如此奇特的物理性质,它们很罕见吗?其实生活中处处都是超导材料,因为元素周期表中的大部分单质金属元素都是超导体,如铝、钙、锡、铅等,一些非金属材料在高压下也是超导体,如硅、硫、磷等。可是生活中却很少用到它们的超导特性,关键问题在于要实现超导,就必须将温度降到超导临界温度之下。遗憾的是,金属单质和合金超导体的临界温度都低得可怜。

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