1911年,荷蘭物理學家昂尼斯在測量低溫下水銀的電阻時發現,水銀的電阻並不會隨著溫度的降低連續地減小而是在4.15k(-269℃)時,電阻會突然變成零。
當溫度降低到絕對零度0K(-273.15℃)附近時,某些材料的電阻率會突然減小為零,物理學上把這種現象叫做超導,發生超導現象的材料叫做超導體。
現在科學家們已經發現在元素周期表上大約有一半的金屬元素,以及好多合金、化合物都能在一定的溫度下出現超導現象,如鈮鈦、鈮鍺合金。
富勒烯的分子結構(含有五、六元環)
然而,超導現象的發生需要比北極(約-88.3℃)還要低的溫度,所以,要大規模地在生產、生活中得到應用,必須是在室溫或常溫的條件下才行。
如下圖所示,當發電廠的發電機發出的電流經過高壓(或超、特高壓)輸電線路輸送到千家萬戶時,大約有10%電能因為輸電線的發熱浪費掉了!
如果用超導材料製作成輸電線,就可以在遠距離送電系統上,從發電始端到用電終端大幅度地減少電能的損耗。
遠距離高壓輸電
又如,發電機和電動機等機械的線圈也會因為發熱損耗大量的電能,如果能用超導材料製作,就沒有了這一部分電能的損失。
電動機的黃銅色線圈
所以,像電風扇、洗衣機、抽水機等家用電器或農業機械,如果使用超導材料製成電動機的線圈,工作時也就沒有了電熱損耗。
哪些用電器的元件不能用超導材料製作?
(一)利用電流的熱效應工作的
我們知道,電流有三大效應:熱效應、化學效應和磁效應。
電流的熱效應中產生的熱量Q可以用焦耳定律來計算:Q=I²Rt,式中I是電流強度、R是導體的電阻、t是通電的時間,此時電流做功,電能轉化成內能。
英國物理學家焦耳(1818年~1889年)
有哪些家用電器是用電流熱效應的原理工作的?
各種產熱的,如電熨鬥、電熱毯、電飯煲、電烙鐵、白熾燈等等,所以,它們的發熱電阻絲就不能用超導材料製作了。
(二)物理實驗室裡面用來調節電阻值的
比如,中學物理實驗室裡面的滑動變阻器和電阻箱,它們的電阻絲也不能用超導材料製作。
滑動變阻器是通過改變連入電路裡的電阻絲的長度來改變電阻的。
滑動變阻器能連續地改變接入電路的電阻,但是無法確定連入的電阻值。這時候就要用上電阻箱了,如下圖所示:
老式電阻箱
(三)家庭電路裡面的保險絲
保險絲一般是用電阻率較大熔點較低的鉛銻合金製作的,當電路的電流過大時,就會自動切斷電路,以免引起火災,如果它們沒了電阻,就無法正常工作了。
一種高電壓熔斷器,保險絲封裝在玻璃管裡面。