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沒有電阻的材料–超導材料

98/09/08 18832

蘇明德｜嘉義大學應用化學系

金屬是電的良導體，電阻比較小，尤其是銀、銅和鋁。但是日常所用的導電材料都有電阻，因此在輸電過程中會有大量的電能損失，甚至達總電能的 15％。零電阻的超導材料便成為人們最期盼的東西。

在尋找超導材料的過程中，首先想到的是金屬。科學家發現金屬的電阻隨著溫度降低而減小，因此在超低溫下或許可獲得較小的電阻，甚至是零電阻。隨著超低溫技術的發展，人們逐漸獲得了不同程度的低溫，如攝氏零下 140 度（133K）的液氧溫度、零下 196 度（77K）的液氮溫度、零下 253 度（20K）的液氫溫度、零下 263 度（10K）的液氦溫度等。這些超低溫技術為超導材料的發現創造了成功的條件。

1911 年，荷蘭物理學家昂納斯（Heike Kamerlingh Onnes）教授在研究金屬汞的低溫性能時發現，當汞的溫度降低到 4K 時，電阻會下降到零。人們把這種零電阻現象叫做「超導性」，具有超導性的材料叫做「超導材料」，而出現零電阻的溫度叫做「超導溫度」，並用符號 TC 表示。因此，金屬汞成了人類認識的第１個超導體，從此探索和研究超導材料成為科技界的熱門課題，昂納斯教授也因這項成就在 1913 年獲得諾貝爾物理學獎。

為什麼超導體達到「超導溫度」時會完全失去電阻呢？金屬導電是由於金屬晶體的自由電子在電場的作用下做漂移運動，在漂移過程中所受到的阻力就是電阻。當溫度下降時，金屬晶體的原子趨於被「凍住」，兩個自旋相反的自由電子會因與晶格作用出現微弱引力而趨向形成「電子對」，而且電子對之間也會出現弱的組合而趨向有序化（玻子凝結），這些變化會因溫度持續降低而增大。

當溫度降到臨界溫度以下時，這些高度有序化的自由電子會沿一定方向暢通無阻地流動，在宏觀上就表現出零電阻的現象。這有些像（但不完全像）電影院散場時，如果大家毫無秩序地湧到出口處，往往會塞在門口，很難出去；反之，若大家排好隊有秩序地出場，就會十分順利，毫無阻力。

從 1911 年首次發現超導體到現在，人們已知的超導材料僅單一元素就有三十多種，其中部分是金屬，至於超導合金和超導化合物則已有數千種。

研究顯示所有的超導材料都要達到超導溫度以下才能產生超導性，而且超導溫度都很低。通常把需要採用液氦（10K）做為冷卻劑才能產生超導性的材料稱為「低溫超導材料」，而需要以液氮（77K）冷卻的則稱作「高溫超導材料」。最早發現的金屬汞的超導溫度是 4K，需要用液氦做為冷卻劑，這一溫度幾乎已是人類所能達到最冷寂的境界，但在如此低溫下很難找到它實際的用途。

因此，人們迫切希望能有高溫超導材料的存在。1986 年，瑞士科學家發現鑭、鋇、銅氧化物的化合物（La－Ba－CuO）具有超導性，它的超導溫度是 35K。雖然稱不上是高溫超導材料，但從此打開了從金屬氧化物中尋找高溫超導體的大門。接著，科學家又發現釔、鋇、銅氧化物（Y－Ba－CuO）在 90K 也具有超導性，人類終於獲得了高於液氮溫度的高溫超導材料。這項發現引起世界轟動，揭開了全球性的超導熱。

目前，新的超導金屬氧化物系列不斷湧現。人們用鈧（Sc）代替釔（Y）、用鍶（Sr）代替鋇（Ba），並在金屬氧化物的配比方面進行調整，結果發現鉍、鍶、鈣、銅氧化物（Bi－Sr－Ca－CuO），以及鉈、鋇、鈣、銅氧化物（Tl－Ba－Ca－CuO）等材料，都可以達到 120K 以上的超導溫度。

現在，人們更進一步期盼室溫超導材料的出現。因為室溫超導材料具備了實用化和工業化的價值，對現代科學技術，如電力輸送、超導發電機、大型電子計算機、磁浮高速列車、核融合反應控制等領域，都會產生極大的影響。

電力輸送　應用超導材料於電力輸送，是人們首先想到的用途。從發電站把電力送到用戶端全靠電線、電纜，但現在所用的電線和電纜都有電阻，電力因此而損耗，而且損耗量相當大，幾達百分之十五。將來若能改用超導材料做電線和電纜，由於電阻為零，輸電過程中就不再有電力損失，那是多麼美好的境界啊！

超導發電機　「超導材料」應用的第２個構想，是製造超導發電機。目前，發電機單機的功率是 1 百萬千瓦，預計到 21 世紀末需增加到 1 千萬千瓦，這個規模以現有的發電機是無法達到的。發電機的重要零件是線圈和磁體，由於導線中有電阻，發電過程會導致線圈嚴重發熱，發電容量越大，線圈發熱現象也會越嚴重。很明顯的，發電機的線圈是影響發電容量的重要因素。如果這些線圈能改用超導材料，發電過程中線圈就不會發熱，發電容量自然可以大幅提高了。

磁浮高速列車　「超導材料」應用的第３個構想，是製作磁浮高速列車，這種列車的時速可達 500 公里以上。列車的速度始終受到車與地面之間摩擦力的束縛，除非使列車懸浮，否則列車的時速是不可能有所突破的，磁浮高速列車的構想也就奠基於此。

但怎樣才能把行駛中的列車托起來呢？研究超導的學者進行了一個著名的磁浮實驗。他們製作了一個圓形鉛環和一個小鉛球，再以一個叉子做為磁感應體。當鉛環和鉛球的溫度降到超導臨界溫度以下時，鉛環和鉛球都會變成超導體。這時若通過電磁感應使鉛環中產生電流，鉛環周圍就會產生磁場，這磁場又感應鉛球產生電流，使得鉛球周圍也產生感應磁場。這兩個磁場的排斥作用，使鉛球受到向上的斥力而飄然升起，當達到一定高度後就懸在鉛環的上方不動。

根據上述的磁浮實驗，如果把超導磁體安裝在列車的底部，並使列車底部的超導磁體和地上鉛環發生相對運動，鉛環中會產生一股強大的感應電流，在其周圍產生磁場，進而與列車底部超導磁體產生磁排斥作用，列車將因而懸空浮起。據估計，這種磁排斥作用可以把列車斥離地面約 10 公分，這距離已足夠使列車懸浮在地面上高速行駛。

自 20 世紀 60 年代科學家提出磁浮列車的構想至今，已取得了很大的進展。1979 年，日本製造的一輛超導磁浮實驗車，長 135 公尺、寬 3.7 公尺、高 1.4 公尺，時速達到了 504 公里。這輛世界上的第１個單車磁浮車可以乘坐 4 個人，並在幾年前成功運行。

可控熱核融合　「超導材料」應用的第４個構想，是用超導材料進行可控「熱核融合」。氘和氚的「熱核融合」會放出巨大的能量，比現行核發電的原子核分裂反應能大得多，而且氘可從海水中提取，資源十分豐富。此外，「熱核融合」的產物—氦是一種稀有氣體，對環境沒有污染。眾多的優點使人們期望能用核融合反應來發電。

但核融合反應發電的最大困難是：氘和氚核的融合反應必須在攝氏 1 億度以上，且反應控制不易。為了使核融合反應能持續不斷地進行，必須有一個十分強大的磁場，以便把核融合過程中的等離子體約束住。就目前來看，最有希望解決這難題的是「超導材料」，因為超導體能產生所需的強大磁場。換句話說，只有當人們真正掌握了超導技術後，才有可能使「熱核融合」反應的控制實現。

看完上述的介紹之後，您是否對「超導材料」有了更深一層的看法？希望您也能加入「超導材料」的研究行列，為人類新科技貢獻一份心力。

資料來源

《科學發展》2009年9月，441期，60 ~ 63頁

高溫超導(7) 核融合(22) 臨界溫度(2) 超導體(9) 磁浮列車(2) 科發月刊(5221)

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