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        向“低溫”進(jìn)軍

        2008-12-23 08:33:48韓吉辰
        關(guān)鍵詞:超導(dǎo)磁體溫區(qū)超低溫

        韓吉辰

        低溫與我們的生活有密切關(guān)系,低溫既有危害,又能被利用來(lái)為人類服務(wù).下面請(qǐng)韓教授細(xì)細(xì)道來(lái).

        奇妙的“低溫世界”

        數(shù)九寒天,北風(fēng)刺骨,天寒地凍.我國(guó)北方地區(qū)氣溫在零下20多攝氏度,而在地球的兩極則更寒冷,最冷的地方在南極,為零下88.3攝氏度,被稱為“世界寒極”.在月球的陰面,溫度為零下160攝氏度,而在宇宙深處則更低,達(dá)零下270攝氏度左右.

        那么,寒冷到底有沒(méi)有盡頭呢?科學(xué)家回答:有,這就是“絕對(duì)零度”,為零下273.15攝氏度,用0 K表示.這個(gè)“絕對(duì)零度”是理論上的數(shù)值,科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)正在一步步地向它逼近,在1958年他們達(dá)到距離“絕對(duì)零度”只有五萬(wàn)分之一攝氏度的區(qū)域,又經(jīng)過(guò)十幾年的艱苦努力,終于創(chuàng)造了比“絕對(duì)零度”僅僅高億分之三攝氏度的新紀(jì)錄.

        低溫就像一位神奇的魔術(shù)師,使物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生很大變化,溫度越低則魔法越神奇,這些與我們的生活有著密切關(guān)系呢.

        空氣在零下190攝氏度時(shí)會(huì)變成淺藍(lán)色液體,屬超低溫世界,如果把雞蛋放進(jìn)去,它會(huì)產(chǎn)生淺藍(lán)色的熒光,摔在地上會(huì)像皮球一樣彈起來(lái);鮮艷的花朵放進(jìn)去,會(huì)變成玻璃一樣光閃閃的,輕輕一敲發(fā)出“當(dāng)”的聲音,重敲竟碎了……

        金屬也怕冷

        金屬在低溫時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)變得松散,稱為“金屬的冷脆現(xiàn)象”.1913年,俄羅斯的一支南極探險(xiǎn)隊(duì),由于裝汽油的鐵箱是用錫焊的,一遇低溫,焊錫變成粉末,汽油漏光,結(jié)果探險(xiǎn)隊(duì)的隊(duì)員全部遇難.后來(lái)凡是到南極、北極或嚴(yán)寒地區(qū),油箱一律不許用錫焊.不但錫怕寒冷,金屬鋁、鎂甚至鋼鐵,也都害怕嚴(yán)寒.1938年和1940年,在比利時(shí)先后發(fā)生兩座鐵橋在嚴(yán)寒中轟然坍塌的事故,這就是由金屬的冷脆現(xiàn)象引起的.只有金屬銅和一些合金(比如鋁合金、鈦合金)不怕低溫,所以在低溫設(shè)備上,例如盛液態(tài)空氣的容器,常常使用金屬銅來(lái)制造.

        這種金屬的冷脆現(xiàn)象也可以為人類造福.比如戰(zhàn)場(chǎng)上布滿地雷,探雷器可以找到它,但是排雷卻很危險(xiǎn),如果將液態(tài)空氣撒到這些地方,溫度急劇下降,地雷中的金屬?gòu)椈删蜁?huì)變脆失去彈性,從而導(dǎo)致地雷不能再爆炸.我們知道,一般粉碎機(jī)很難將硬度高、彈性大的材料粉碎,而用冷脆技術(shù),不僅可以迅速粉碎這些材料,而且還可以控制顆粒大小.在電爐煉鋼中,大部分原材料是回收的廢鋼,這些廢鋼的大小厚薄輕重都相差懸殊,在進(jìn)爐前必須進(jìn)行粉碎,而這一直是個(gè)難題.過(guò)去用1 400攝氏度的電弧來(lái)切割,很費(fèi)力,又污染環(huán)境,現(xiàn)在利用低溫冷脆技術(shù),一小時(shí)可以粉碎30噸,還可以大大減少污染.

        在食品工業(yè)、中草藥加工、醫(yī)療、涂料制造業(yè)等方面,低溫技術(shù)也廣有用途.清除海上石油污染是一大難題,現(xiàn)在設(shè)計(jì)出低溫清污法,從漂浮的石油層下噴灑液氮,水面上石油迅速凝結(jié)成顆粒,再將這些顆粒鏟走,這樣不僅對(duì)于水中的生物沒(méi)有任何影響,還可以很好地保護(hù)海洋環(huán)境.

        “超導(dǎo)現(xiàn)象”顯神威

        低溫魔術(shù)師最出色的表演,當(dāng)數(shù)“超導(dǎo)現(xiàn)象”.1911年,荷蘭科學(xué)家卡麥林·翁納斯在低溫實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn):當(dāng)溫度降至零下269攝氏度時(shí)(液氦溫區(qū)),水銀的電阻忽然消失了.這就是“超導(dǎo)現(xiàn)象”,原來(lái)超低溫使物質(zhì)變成了新物態(tài)——超導(dǎo)態(tài).

        接著人們又做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn),用金屬鉛做成一個(gè)圓環(huán),放入接近絕對(duì)零度的超低溫儀器中,這時(shí)鉛的電阻消失了.在環(huán)中通上電流,然后截?cái)嚯娫?,將整套儀器封閉起來(lái).兩年以后,人們把儀器打開(kāi),測(cè)量環(huán)中的電流強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有什么變化!原來(lái)“超導(dǎo)環(huán)”的電阻為零,幾乎沒(méi)有一點(diǎn)能量損失,所以環(huán)中的電流可以幾年、十幾年、幾十年經(jīng)久不衰!

        多年來(lái),人們一直在尋找能用來(lái)傳輸電流的超導(dǎo)材料,因?yàn)橐饬x太重大了,那將引起電力工業(yè)的一場(chǎng)劃時(shí)代的革命.因?yàn)槟壳笆澜缟系碾娔芗s有四分之一損耗在輸電線路上,如果使用沒(méi)有電阻的超導(dǎo)材料做輸電線路,再采用一些絕熱技術(shù),就實(shí)現(xiàn)了“無(wú)損耗輸電”,實(shí)際上等于增加了發(fā)電量.在世界能源緊張的今天,這可是一筆可觀的財(cái)富??!

        各國(guó)都在抓緊時(shí)間研究低溫超導(dǎo)材料,這一研究不斷傳來(lái)好消息.我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)液態(tài)氮溫區(qū)(零下170攝氏度)的超導(dǎo)材料.另外還發(fā)現(xiàn)溫區(qū)較高的一些合金或無(wú)機(jī)材料,但制造工藝比較復(fù)雜,成本比較高.

        “超導(dǎo)材料”走向?qū)嵱?/p>

        科學(xué)家利用“超導(dǎo)材料”,制成了小巧的“冷子管”.冷子管的構(gòu)造并不復(fù)雜,它是由兩根彼此絕緣、互相交叉的鉭絲和镎絲浸在液態(tài)氦中制成.冷子管體積很小,非常省電,100萬(wàn)個(gè)冷子管只需0.5瓦電源即可.由冷子管制成的電子微波放大器,是最靈敏的儀器.因?yàn)樗梢员苊夥肿訜狎}動(dòng)帶來(lái)的誤差,使微波得到有效的放大,精密度極高.目前科學(xué)家利用它來(lái)測(cè)量從極其遙遠(yuǎn)的星球射來(lái)的微弱光線,探索宇宙的秘密.

        最近科學(xué)家設(shè)計(jì)制造出實(shí)用“超導(dǎo)電纜”,利用一種合金氧化物(釔鋇銅氧)制成幾毫米的帶子,纏繞在裝有流動(dòng)液氮的管子上,再加上幾層絕熱層,一根“超導(dǎo)電纜”就制成了,目前成本是200美元/千安·米-1,價(jià)格昂貴.日本則用一種二硼化鎂制成了“超導(dǎo)電纜”,成本大大降低,為1美元/千安·米-1,但是技術(shù)要求很高,要求在液氦溫區(qū)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo).“超導(dǎo)電纜”的輸電能力是銅的3~4倍,具有較高的使用價(jià)值.

        當(dāng)前低溫超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用很廣泛,“超導(dǎo)磁體”是其中最重要的一方面.把超導(dǎo)金屬絲繞成線圈,降至超低溫以后通上電流,利用電流的磁效應(yīng)就制成了“超導(dǎo)磁體”.超導(dǎo)磁體沒(méi)有電阻,就沒(méi)有熱損耗,很容易產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng),而且非常節(jié)省電,5萬(wàn)高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)只需幾百瓦功率的電源.過(guò)去一個(gè)產(chǎn)生5萬(wàn)高斯強(qiáng)磁場(chǎng)的磁體質(zhì)量通常達(dá)20噸,而利用超導(dǎo)磁體,質(zhì)量只有幾千克,就是再加上制冷絕熱設(shè)備,也還是輕得多.

        “超導(dǎo)磁體”的一個(gè)重要用途,是解決了“受控?zé)岷朔磻?yīng)”的“容器”難題.原來(lái)熱核反應(yīng)——核聚變,必須在近億攝氏度的高溫下才能進(jìn)行,那么使用什么“容器”能承受這么高的溫度呢?利用“超導(dǎo)磁體”產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng),形成一個(gè)神奇的“磁瓶”,可以約束“熱核反應(yīng)”在其中進(jìn)行.原來(lái)在近億攝氏度的溫度下,氫原子變成一個(gè)個(gè)帶電粒子,強(qiáng)大的磁場(chǎng)可以阻止它們外溢.

        “超導(dǎo)磁體”的另一大貢獻(xiàn),是使磁懸浮火車成為現(xiàn)實(shí).1971年西德制成了世界第一列磁懸浮火車,速度達(dá)到500公里/時(shí),現(xiàn)在,只要看看報(bào)紙或電視,就可以發(fā)現(xiàn),世界各國(guó)(包括我國(guó))都在爭(zhēng)相修建高速磁懸浮列車專線呢!不久的將來(lái),你可以坐上速度400多公里/時(shí)的超導(dǎo)磁懸浮火車旅行,早晨從北京出發(fā)去上海,辦完事,晚上可以坐火車返回北京,比乘飛機(jī)還方便呢!

        “超導(dǎo)現(xiàn)象”在電力、交通、國(guó)防、探礦、醫(yī)療、核能等方面都有巨大的潛在用途,前景非常廣闊.“低溫魔術(shù)師”的威力真是無(wú)窮無(wú)盡,我們要充分研究利用它的“魔力”,更好地為人類服務(wù)!

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