首页 -> 2005年第11期
低温魔术师
作者：韩吉辰
数九寒天，北风刺骨，天寒地冻。我国北方地区气温在零下20多摄氏度，而在地球的两极则更寒冷，最冷的地方在南极，达到了零下88.3摄氏度，被称为“世界寒极”。在月球的阴面，温度为零下160摄氏度，而在宇宙深处则更低，达零下270摄氏度左右。
那么，寒冷到底有没有尽头呢？科学家回答：有，这就是“绝对零度”，为零下273.15摄氏度，用0K表示。这个“绝对零度”是理论上的数值，通过实验，科学家正在一步步向它逼近，在1958年他们达到距离“绝对零度”只有五万分之一摄氏度的区域，又经过十几年的艰苦努力，终于创造了比“绝对零度”仅仅高亿分之三摄氏度的新记录。低温就像一位神奇的魔术师，使物质的性质发生很大变化，温度越低则魔法越神奇，这些与我们的生活有着密切关系。空气在零下190摄氏度时会变成浅蓝色液体，属超低温世界，如果把鸡蛋放进去，它会产生浅蓝色的荧光，摔在地上会像皮球一样弹起来；鲜艳的花朵放进去，会变成玻璃一样光闪闪，轻轻一敲发出“叮当”的响声，重敲竟碎了……
金属也怕冷
金属在低温时内部结构会变得松散，称作“金属的冷脆现象”，危害很大。1913年俄罗斯的一支南极探险队，由于装汽油的铁箱是用锡焊的，一遇低温，焊锡变成粉末，汽油全部漏光，结果探险队全部遇难。后来凡是到南极北极或严寒地区，油箱一律不许用锡焊。不但锡怕寒冷，金属铝、镁甚至钢铁，也都害怕严寒。1938年和1940年，在比利时先后有两座铁桥在严寒中轰然坍塌，1943年2月，美国纽约附近的一个直径12米的贮气罐突然破裂，经过调查，这些灾害都与低温有关，这就是“金属冷脆现象”引起的。只有金属铜和一些合金（比如铝合金、钛合金）不怕低温，所以在低温设备上，例如盛液态空气的容器，常常使用金属铜来制造。这种金属的冷脆现象也可以为人类造福。比如战场上布满地雷，探雷器可以找到它，但是排雷却很危险，如果将液态空气洒到这些地方，温度急遽下降，地雷中的金属弹簧就会变脆失去弹性，不能再爆炸。我们知道，一般粉碎机很难将硬度高、弹性大的材料粉碎，而用冷脆技术，不仅可以迅速粉碎，而且还可以控制颗粒大小。在电炉炼钢中，大部分原材料是回收的废钢，这些废钢的大小厚薄轻重都相差悬殊，在进炉前必须进行粉碎，一直是个难题。过去用1400摄氏度的电弧来切割，很费力，又污染环境，现在利用低温冷脆技术，一小时可以粉碎30吨，还可以大大地减少氧化。在食品工业、中草药加工、医疗手术、涂料制造业等方面低温技术也广有用途。再如，清除海上石油污染是一大难题，现在设计出低温清污法，从漂浮的石油层下喷洒液氮，水面上石油迅速凝结成颗粒，再将这些颗粒铲走，而对于水中的生物却没有任何影响，可以很好地保护海洋环境。
“超导现象”显神威
低温魔术师最出色的表演，当属“超导现象”。1911年，荷兰科学家卡麦林·翁纳斯(被人们尊称“低温物理系之父”)在低温实验中意外发现：当温度降至零下269摄氏度时（液氦温区），水银的电阻忽然消失了，这就是“超导现象”，原来超低温使物质变成了新物态——超导态。
接着人们又做了一个有趣的实验，用金属铅做成一个圆环，放入接近绝对零度的超低温中，这时铅的电阻消失了，在环中通上电流，然后截断电源，将整套仪器封闭起来。经过两年以后，人们把仪器打开，测量环中的电流强度，发现几乎没有什么变化！原来“超导环”的电阻为零，几乎没有一点能量损失，所以环中的电流可以几年、十几年、几十年经久不衰！
多年来，人们一直在寻找能用来传输电流的超导材料，因为这个意义太重大了，那将引起电力工业的一场划时代的革命。因为目前世界上的电能约有四分之一损耗在输电线路上，如果使用没有电阻的超导材料做输电线路，再采用一些绝热技术，就实现了“无损耗输电”，实际上等于增加了发电量。在世界能源紧张的今天，这可是一笔可观的财富啊！各国都在抓紧研究低温超导材料，寻找能在较高的低温中的超导材料，这一研究不断传来好消息。我国科学家已经发现液态氮温区(零下170摄氏度)实现超导的材料。另外还有一些动态，发现温区较高的合金或无机材料，但制造工艺比较复杂，成本比较高。
“超导材料”走向实用
科学家利用“超导材料”，制成了小巧的“冷子管”。冷子管的构造并不复杂，它是由两根彼此绝缘、互相交叉的钽丝和镎丝，浸在液态氦中制成。“冷子管”体积很小，非常省电，100万个冷子管只需0.5瓦电源即可。由“冷子管”制成的电子微波放大器，是最灵敏的仪器。因为它可以避免分子热骚动带来的误差，使微波得到有效的放大，精密度极高。目前利用它测量从极其遥远星球射来的微弱光线，探索宇宙的秘密。
最近科学家设计制造出了实用“超导电缆”。利用一种合金氧化物（钇钡铜氧）制成几毫米的带子，缠绕在装有流动液氮的管子上，再加上几层绝热层，一根“超导电缆”就制成了，“超导电缆”的输电能力是铜的3-4 倍，具有实用价值。
当前低温超导技术实际的应用广泛，“超导磁体”是其中最重要的一方面。把超导金属丝绕成线圈，降至超低温以后通上电流，利用电流的磁效应就制成“超导磁体”。超导磁体没有电阻，就没有热损耗，很容易产生强大的磁场，而且非常节省电力，5万高斯的强磁场只需几百瓦功率的电源，过去通常一个产生5万高斯强磁场的磁体重量达20吨，而利用超导磁体，重量只有几公斤，就是再加上制冷绝热设备，也还是轻得多。
“超导磁体”的一个重要用途，是解决了“受控热核反应”的“容器”难题。原来热核反应——核聚变，必须在近亿摄氏度的高温下才能进行，那么使用什么“容器”能承受这么高的温度呢？这个难题长期困扰着人们，使得人工受控热核反应久久不能实现。现在利用“超导磁体”产生的强大磁场，形成一个神奇的“磁瓶”，可以约束“热核反应”在其中进行。原来在近亿度的温度下，氢原子变成一个个带电粒子，强大的磁场可以阻止它们外溢。我国“受控核聚变”居世界先进地位，“全超导托卡马克HT-7UX型”装置，已经成功进行了1000秒“热核反应”的稳态运行。
“超导磁体”的另一大贡献，是使磁悬浮火车成为了现实。1971年西德制成了世界第一列磁悬浮火车，时速达到500公里，现在，只要看看报纸或电视，就可以发现，世界各国（包括我国）的高速磁悬浮火车都在争相修建呢！不久的将来，你可以坐上时速400多公里的超导磁悬浮火车旅行，早晨从北京出发去上海办完事，晚上可以坐火车返回北京，比乘坐飞机还方便呢！
“超导现象”用途广泛，在电力、交通、国防、探矿、医疗、核能等方面都有巨大潜在的用途，发展非常迅速，前途非常广阔。
“低温魔术师”的威力真是无穷无尽的，我们要通过现代科学技术，充分研究利用它的魔力，更好地为人类服务！