在超低温状态下的应用

超低温状态下现象的研究与应用

摘要：在超低温下，会发生很多奇特的现象，例如超导、超流等现象，那么这些现象的物理本质是什么呢？目前超导现象的概念已经被大众接受，并且以超导为基础的很多器件已经制作出来，并在不断改进。本文都将一一进行介绍。

关键词：超低温状态，超导，超流，绝对零度

Abstract: At ultra-low temperature, there will be many strange phenomena, such as superconductivity, super flow and so on, then the physical nature of these phenomena is what? The current concept of superconductivity has been accepted by the public, and many devices based on superconductivity have been made and are continually improving. This article will be introduced one by one.

Keywords: ultra-low temperature, superconductivity, Super Fluidity，absolute zero

一、绝对零度的认识

绝对零度[1]是热力学的最低温度，是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。绝对零度是仅存于理论的下限值，其热力学温标写成0K，等于摄氏温标零下273.15度。

绝对零度表示那样一种温度，在此温度下，构成物质的所有分子和原子均停止运动。所谓运动，系指所有空间、机械、分子以及振动等运动。还包括某些形式的电子运动，然而它并不包括量子力学概念中的“零点运动”。除非瓦解运动粒子的集聚系统，否则就不能停止这种运动。从这一定义的性质来看，绝对零度是不可能在任何实验中达到的，这些运动是肉眼看不见的，但是我们会看到，它们决定了物质的大部分与温度有关的性质。

二、超流现象

科学家在对绝对零度的研究中，发现了一些奇妙的现象。如氦本是气体，在-268.9℃时变为超液态，当温度持续降低时，原本装在瓶子里的液体，轻而易举地从只有0.01毫米的缝隙中，溢到了瓶外，继而出现喷泉现象，液体的粘滞性也消失了，这种现象被称为超流[2]现象。超流是一种宏观范围内的量子效应。由

于玻色—爱因斯坦凝聚[3]，氦原子形成一个“抱团很紧”的集体，超流正是这种“抱团”现象的具体表现。什么是玻色-爱因斯坦凝聚呢？玻色-爱因斯坦凝聚是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。全世界已经有数十个实验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子，铬原子和镱原子等。

那么超流又有何性质呢？我们以超流液态氦为例。在2.17K以下，氦的同位素氦4进入超流态。超流的液氦具有以下性质：首先，液氦能沿极细的毛细管（管径约0.1微米）流动而几乎不呈现任何粘滞性。这一现象最先由卡皮查于1937年观察到，称为超流性。其次，如果用一细丝悬挂一薄盘浸于液氦中，让圆盘作扭转振动，则盘的运动将不受阻力。当液氦由容器A中通过多孔塞（或极细的毛细管）流出时，A内的液氦的温度升高。这一现象好如机械致热效应。其逆过程称为热机械效应，即：当升高A内的温度时，其中液氦的液面将上升，若A本身是一毛细管，在极低温度下，液态氦的粘性会消失，它在任何东西上流动都没有阻力，将观察到液氦从上口喷出，故也称喷泉效应。液氦还具有极好的导热性，热导率为室温下铜的800倍。出于这些性质，人们也开发出超流在现实中的仪器如稀释致冷机、超敏感旋转感测器等。

图一液氦的喷泉效应

三、低温超导

3.1超导特性

1911年，荷兰莱顿大学的H.卡茂林.昂内斯意外地发现，将汞冷却到-268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失。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，H.卡茂林.昂内斯称之为超导态[4]。

1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要

的性质——当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应[5]”。

什么是迈斯纳效应呢？产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。超导体不同于电阻无限小或者为零的理想导体。因为对于电阻率ρ无限小的理想导体，根据欧姆定律

u=iR (1)

和电流密度的定义，推得欧姆定律的微分形式：

j=σE （2）

其中

σ=1/ρ（3）

为电导率，ρ为电阻率，j为电流密度，E为电场强度，联立方程组（1）（2）（3）得：

E=ρJ [6]（4）

若ρ=0，则由麦克斯韦方程组

▽×E=-δB/δt=0 （5）

由此可知在加磁场前后理想导体体内磁感应强度不发生变化，即B=C≠0，C为加入磁场前导体体内的磁感应强度。而超导体的迈斯纳效应要求深入超导区B=0。后来人们还做过这样一个实验，在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小磁性很

强的永久磁铁，然后把温度降低，使锡出现超导性。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起，与锡盘保持一定距离后，便悬空不动了。这是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁力线无法穿透超导体，磁场发生畸变，便产生了一个向上的浮力。进一步的研究表明：处于超导态的物体，外加磁场之所以无法穿透它的内部，是因为在超导体的表面感生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。这一发现非常有意义，在此之后，人们用迈斯纳效应来判别物质是否具有超导性。迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超导性。

3.2超导的应用

超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。例如超导限流器[7]、超导储能[8]、超导变压器[9]、超导电缆[10]、超导列车、超导船等。

3.2.1超导限流器

超导限流器作为一种有效的短路电流限制装置，在发生短路故障时，能够迅速将短路电流限制到可接受的水平，从而避免电网中大的短路电流对电网和电气设备的安全稳定运行构成重大危害，可以大大提高电网的稳定性，改善供电的可靠性和安全性。

图二超导限流器

3.2.2超导变压器

在传统的变压器中，绕组中的铜损占变压器满负荷运行时总损耗的绝大部分，而采用高温超导绕组即可大大降低这部分损耗，大大提高变压器运行的经济性。

同时，由于在相同容量下超导变压器的体积比常规变压器小40～60%，因此，超导变压器可直接安装在现有变电站内，从而节省重建经费。正因为超导变压器具有效率高、体积小、无环境污染隐患等优点，它被公认为最有可能取代常规变压器的高新技术。

图三超导变压器

3.2.3超导储能

超导储能是利用超导体的电阻为零特性制成的储存电能的装置，其不仅可以在超导体电感线圈内无损耗地储存电能，还可以通过电力电子换流器与外部系统快速交换有功和无功功率，用于提高电力系统稳定性、改善供电品质。

图四超导储能

高温超导电缆是采用无阻的、能传输高电流密度的超导材料作为导电体并能传输大电流的一种电力设施，具有体积小、重量轻、损耗低和传输容量大的优点，可以实现低损耗、高效率、大容量输电。高温超导电缆将首先应用于短距离传输电力的场合（如发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口）及电镀厂、发电厂和变电站等短距离传输大电流的场合，以及大型或超大型城市电力传输的场合。

高温超导电缆的传输损耗仅为传输功率的0.5%比常规电缆5%-8%的损耗要低得多。在重量、尺寸相同的情况下，与常规电力电缆相比，高温超导电缆的容量可提高3-5倍、损耗下降60%，可以明显地节约占地面积和空间，节省宝一贵的土地资源。用高温超导电缆改装现有地下电缆系统：不但能将传输容量提高3倍以上，而且能将总费用降低20%。利用高温超导电缆还可以改变传统输电方式，采用低电压大电流传输电能。因此，高温超导电缆可以大大降低电力系统的损耗，提高电力系统的总效率，具有可观的经济效益。

高温超导电缆除可以传输特大功率的电能之外，其临界长度可达1英里（1.609公里），载流量与土壤等敷设条件无关，并具有耐受短路电流大、系统允许过载周期长等优点。由于液氮冷却就可以使高温超导材料进人超导态，其价格已经接近能与普通电缆竞争的程度，因而促使高温超导电缆加快了实用性话进程。

图五超导电缆

超导现象中的迈斯纳效应使人们可以用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无摩擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。超导列车已于70年代成功地进行了载人可行性试验，1987年开始，日本开始试运行，但经常出现失效现象，出现这种现象可能是由于高速行驶产生的颠簸造成的。超导船已于1992年1月27日下水试航，目前尚未进入实用化阶段。利用超导材料制造交通工具在技术上还存在一定的障碍，但它势必会引发交通工具革命的一次浪潮。

图六超导列车

3.2.6其他应用

1962年，英国剑桥大学研究生布里安·戴维·约瑟夫森的一项重大发现，使超导应用更加令人眼花缭乱。这项发现叫做“约瑟夫森效应”，它使超导体可像半导体那样做成二极管、三极管和一种奇妙的探测器件——超导量子干涉仪，用于弱磁场测量、超导计算机等微电子领域。

四、未来展望

可以设想，这些应用一旦实现，世界将改变模样：超导储能器收集太阳能，并将它储藏起来，通过强大的电网完好无损地把电流送往用户。

超导现象出现的基本标志是零电阻效应和迈斯纳效应，但还伴随着多种特征的出现。物体在低温出现超导现象仍然有一些问题没有弄清，但人们已经知道了

很多。首先，有一些低温超导现象是由于电声作用，可以用BCS理论做出解释，而像铜基超导体、重费米子超导体中的超导原因，如今仍在研究之中。

由于超导体对环境的要求非常高，如今它还只能在科学家们的实验室中进行，并不能够大规模的应用到我们的日常生活中，但科学的发展是永无止境的，科学家们还正朝着提高超导体的温度以达到将超导应用于生活中，为人类造福。相信随着科学的发展，超导一定会广泛地应用与我们的生活。