超導時代降臨，能量損耗從此為零！能源科技最終解：抗磁效應×磁浮原理×量子干涉×材料應用，近代物理重大發現，創造接連不斷的科學奇蹟-FindBook 找書網 ISBN:9786263576162

圖書名稱：超導時代降臨，能量損耗從此為零！能源科技最終解：抗磁效應×磁浮原理×量子干涉×材料應用，近代物理重大發現，創造接連不斷的科學奇蹟

科技生活的夢想藍圖 × 超導體入門必讀之作

二十一世紀，又稱超導的時代
磁浮列車、永續能源、節能火箭……
科幻電影中的神奇發明，即將成為現實！

▼超導體，到底是什麼東西？
超導材料是指當溫度低於某個程度，該材料就會出現超導現象。超導現象主要會呈現兩大特性：一個是「電阻為零」，即電流在超導體內部流動時，不會有損耗而能一直流通，成為永久電流；另一則是「完全反磁現象」，若外加磁場在超導體上，超導體會排除磁場，使磁力線完全不能通過。
超導體自發現以來就被視為極有發展潛力的科學現象，但早期發現的超導材料如水銀、鉛、錫等超導臨界溫度都低於攝氏零下260度，經過科學家經年累月的努力，如今的超導體研究已被確認能應用在日常生活的諸多方面。

▼超導體如何解決人類的能源危機？
目前市面上用以傳輸電力的銅線，傳輸時會造成電力損耗；若能改用零電阻的「超導電線」，就可以讓被浪費掉的電成為可運用的電。
由於電力難以儲存，且能儲存的量有限。但若用超導材料繞成線圈，由於零電阻，可以讓電流永久流動，產生出的磁場具有能量，讓人們用以儲存太陽能發電及風力發電的能源。
而「超導馬達」也可以應用在風力發電機的改良上。由於超導磁場較強，方便研製尺寸更小的機器，產生的噪音也較小。

▼磁浮列車、電磁推進船……讓交通更方便！
早在19世紀末，就已經有使列車上浮的構想，其中包括了運用氣球原理讓列車「漂浮」在鐵路上行駛，或是運用水流使列車運行。1922年，德國工程師赫爾曼提出了利用「磁力」使列車懸浮的想法。直到1969年，德國製造出一列利用「磁力」懸浮的小型列車，三年後日本亦研發出磁浮列車。而在海運方面，西元1992年，第一艘超導磁流體推進船「太和一號」於日本試航成功。
這些運用超導體技術的交通工具，大多具備快速、安靜、汙染少的優點，極具未來科學研究及應用價值。面對人口過剩、能源日益稀少的地球，科學家們迫切要做的，便是找出花費成本更低、生產更便利的超導材料。

〔本書特色〕
本書主要介紹了超導從發現至今的歷史與超導現象的特性，並說明超導體分在能源與電力工業、產業與運輸、醫療與診斷以及通訊各領域上的應用情形。

作者簡介：

羅會仟，物理學博士。主要從事高溫超導機理的實驗研究，已發表學術論文百餘篇，並獲得多個獎項。代表作有《「無理」的物理》、《水煮物理》。在《物理》、《現代物理知識》、《科學》、《自然雜誌》等刊登若干科普文章，參與撰寫《十萬個為什麼》（第六版物理卷）、《改變世界的科學叢書：物理學的足跡》等系列科普圖書。

章節試閱

暢行無阻：超導零電阻效應的發現

　　在都市開車出門，最不想遇到的情況是什麼？肯定是塞車！

　　在微觀世界裡，電子穿梭在週期有序排列的原子「八卦陣」裡面，也會遇到碰撞甚至「塞車」的情況，用物理語言來說就是電子受到了散射。電子被不斷散射，能量就會發生損失，在宏觀上表現為存在電阻。微觀上電子把部分能量傳遞給了原子實，電子公路上的塞車，造成了原子們的躁動不安，微觀熱振動變得更加激烈了——於是材料整體溫度上升開始「發燒」，這就是因電阻產生的焦耳熱。在某些情況下，焦耳熱有著重要的用途，比如白熾燈的工作原理就是電能轉化成熱能，讓燈絲在高溫下「白熱化」後發光的。但在更多情況下，焦耳熱會讓電能無辜損失掉。從發電廠到變電站，即便採用目前最高效的高壓交流輸電，電能的損失也約占15%。可別小看這個百分比，這意味著，有相當一部分能源還沒真正用上就已經被浪費掉，且不說因此增加的種種環境汙染等問題。

　　如何讓電子在材料內部暢行無阻呢？或者說，是否有那麼一些「特殊情況」，電子公路可以一路暢通呢？物理學家一直在思考這個問題。

　　20世紀初，經過百餘年的電磁學研究，人們已經非常清楚地了解到金屬材料的電阻隨溫度下降將會減小。理由很簡單：將材料整體降溫，讓原子們冷靜下來，這樣電子在不太變幻的「八卦陣」裡也許就可以迅速找到高速通道，儘量不損失能量全身而退。理想看似豐滿，現實卻總是比較骨感。不同的人看問題的角度不同，於是在預測更低溫度下金屬電阻的走向時，有了多種不同的觀點。大家普遍知道，金屬中電阻主要來源於兩部分，原子實熱振動對電子的散射和雜質／缺陷等對電子的散射。降溫只是讓原子振動變弱，但無法改變雜質／缺陷的存在。因此，1864年，馬修森（Augustus Matthiessen）預言金屬電阻隨溫度下降到一定程度之後，將保持不變，即存在一個有限大小的「剩餘電阻」。克耳文勛爵不太同意這個觀點，他認為在足夠低的溫度下，電流中的電子也有可能被「凍住」而不能前進，導致金屬的電阻會迅速增加。我們在此姑且定義馬修森預言的材料叫「正常金屬」，而克耳文預言的叫「反常金屬」。低溫物理的先驅杜瓦和昂內斯則有另一種觀點，金屬的電阻隨溫度下降會持續穩定地減小，最終在零溫極限下變成零，成為一個沒有電阻的「完美導體」。

　　理論這種東西，誰也說服不了誰，畢竟，實驗才是檢驗真理的唯一標準。只有實際測一測金屬電阻在低溫下的行為，才能知道理論有沒有問題。這個實驗的關鍵所在，就是低溫技術。

　　荷蘭萊頓大學的昂內斯，一直苦心經營著他的萊頓低溫物理實驗室，在1908年成功獲得液氦之後，他成為世界上第一個掌握4K以下低溫技術的科學家，奠定了下一個偉大科學發現的基礎。所謂近水樓臺先得月，昂內斯利用低溫物理技術這個祕密武器，緊鑼密鼓地開始驗證他和杜瓦關於金屬電阻的預言。由於金屬電阻本身就比較小，要精確測量其大小不能簡單採用我們現在課本常出現的兩電極法，而是採用所謂四電極法：在材料兩端用兩個電極通恆定電流，在材料中間再用兩個電極測電壓，電壓的大小即正比於其電阻值。這種測量方式有效避免了電極和材料接觸電阻的影響，至今仍然是小電阻的常用測量方法。實驗必須在低溫環境下進行，因此昂內斯設計了一整套複雜的杜瓦瓶，帶有各種複雜的低溫液體（液氫或液氦）通道來控制溫度。起初，昂內斯採用了室溫下電阻率比較小的金和鉑作為實驗材料，在測到5K以下低溫的時候，它們的電阻仍然沒有降低到零，而且似乎保持到了一個有限的剩餘電阻，和馬修森的預言一致。三種觀點裡，初步否定了克耳文關於低溫下金屬電阻會反而增加的預言。

　　昂內斯的初步實驗結果並非與他和杜瓦的預言一致，他沒有停止實驗的腳步，繼續思考「剩餘電阻」的來源。如果它完全是由材料內部的雜質或缺陷造成，那麼在純度極高的金屬材料裡，剩餘電阻為零，低溫下電阻就有希望持續降到零。問題是，上哪兒找這麼一個高純度金屬呢？

　　昂內斯想到了金屬汞，也就是我們俗稱的水銀。因為在室溫下，汞是液態金屬，就像熔化的銀子水一樣亮晶晶的。古人為水銀展現的奇特性質而著迷，相傳在秦始皇陵裡「以水銀為百川江河大海，機相灌輸，上具天文，以人魚膏為燭，度不滅者久之」。無數煉丹術士也把水銀當作重要材料之一，在中世紀煉金術中，水銀與硫磺、鹽合稱神聖三元素。實際情況是，汞屬於重金屬的一種，對人體有劇毒，是金丹裡致命的因素之一。汞在當今生活中最常見的用途就是體溫計，主要利用了它熱脹冷縮效應非常敏感且易於觀測。但是我們知道，水銀體溫計一旦打破存在很大危險。因為汞在室溫下就會蒸發，蒸發出的汞蒸氣吸入人體，會造成汞中毒。汞容易蒸發的物理性質使得汞燈得以發明，這類照明燈更加節能有效。也正是由於汞極易揮發，因此可以非常簡單地透過蒸餾的方法獲得純度極高的金屬汞，其汞含量高達99.999999%，從化學上可認為是幾乎不含雜質的完美金屬。儘管汞在室溫下是液態，但只要冷卻到-38.8℃就會凝成固態。這也讓實驗過程更加方便：在液態下把汞蒸餾進入布好電極的容器，冷卻到低溫後變成固體，同時又和電極形成了良好的電接觸，降低了測量的背景噪音等干擾因素。

　　1911年4月8日，荷蘭萊頓實驗室的工程師弗林（Gerrit Flim）、實驗員霍爾斯特（Gilles Holst）和多斯曼（Cornelius Dorsman），如往常一樣早上7點就來到實驗室準備測試汞在低溫下的電阻，同時用之前測量過的金作為參照樣品。11點20分的時候，實驗室主任昂內斯過來察看液氦製冷情況。在中午時分，他們已經獲得了足夠的液氦並測量了它的電容率，確認低溫液氦並不導電。霍爾斯特和多斯曼在實驗室的另一個房間記錄汞和金的電阻值，在4.3K的時候，這兩個材料的電阻都是一個有限的數值（0.1Ω左右）。隨著進一步蒸發液氦製冷到了3K，下午4點10分，他們再一次測量汞和金的電阻值，發現汞的電阻幾乎測不到了，而金的電阻則仍然存在。昂內斯並沒有因為他的預言可能被驗證而欣喜若狂，他十分冷靜地分析了實驗結果。因為汞和金的結果相反，是不是測量過程出了問題？他們首先懷疑測量電路是否短路了，於是把U形管容器換成W形容器再一次重複了實驗，依然發現汞的電阻幾乎為零。接著他們又懷疑溫度控制是否不太穩定，實驗一直持續到深夜。並在隨後的數天裡霍爾斯特等人詳細測了汞的電阻隨溫度的變化，一個偉大的發現在不經意間出現：在液氦沸點4.2K以下的時候，汞的電阻確實突然降到了零，也即超出了儀器的測量精度範圍。1911年4月底，昂內斯在一次學術會議上初步報導了他們團隊的實驗結果，隨後在1911年5月和1911年10月他們再次以更高精度的測量儀器重複了實驗，確認汞的電阻在4.2K以下降到了10-5Ω以下。1911年11月，昂內斯發表了題為〈汞的電阻突然迅速消失〉的論文，對物理學界報導了這一重大發現，並將該現象命名為「超導」，意指「超級導電」之意（注：昂內斯起初用德語命名為supraconduction，後改為supraconductivité，英文表述為superconductivity）。隨後他們對金屬鉛和錫也進行了測量，發現他們各自在6K和4K也存在超導現象。發生超導現象時對應的溫度又叫做超導臨界溫度，簡稱超導溫度。

　　超導的發現震驚了當時的物理學界，因為大自然顯然不那麼喜歡按照人們推測來出牌。克耳文、馬修森、杜瓦、昂內斯對於「正常金屬」、「反常金屬」、「完美導體」的預言似乎都不完全正確，某些金屬的電阻在特定溫度以下就會突然降為零，而不需要一直到零溫極限下才會緩降為零。後來研究發現在略微有雜質的某些金屬裡面，超導現象依然存在，只是超導溫度有所變化，也就是說，超導與否和雜質散射沒有太大的關係。這為超導現象又蒙上一層神祕的面紗，吸引了眾多物理學家的關注。值得一提的是，後來更多的實驗證明，關於低溫下材料電阻的克耳文和馬修森預言其實都存在於現實中。一些材料如金、銀、銅、鈷、鎳等確實在低溫下不超導，它們的電阻趨於零溫極限時存在一個「剩餘電阻」。對某些金屬材料，如果摻入少量的磁性雜質，那麼在低溫下電子的運動除了受到電荷相互作用外，還會有磁性相互作用，其電阻會隨溫度下降反而上升，這些材料被稱為「近藤金屬」（注：近藤是人名）。對於那些存在複雜磁性排列結構的材料而言，電子的運動將更加複雜多變，電阻隨溫度的變化也是千奇百怪，至今仍讓物理學家們頭痛。

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推薦序

作者自序

　　我第一次為超導著迷，是在2003年。

　　那一年，我讀大三。在那個春夏之交的季節，SARS肆虐，所有學校都採取了停課封校措施。不上課的我們，除了在宿舍看《尋秦記》，在操場閒聊瞎逛外，還有大把時間坐在圖書館靜靜地看書。偶然發現的三本科普書：《超越自由：神奇的超導體》（章立源著）、《超導物理學發展簡史》（劉兵、章立源著）、《邊緣奇蹟：相變和臨界現象》（于淥、郝柏林、陳曉松著），帶我走進了神奇的超導世界。

　　我第二次與超導結緣，是在2004年。

　　那一年，我大四畢業，面臨未來的抉擇。是選...

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代序　百年超導，魅力不減

作者自序

第1章　啟蒙時代
　　1　慈母孕物理：物理研究的起源
　　2　人間的普羅米修斯：電學研究的歷史
　　3　雞蛋同源：電磁學的背景知識
　　4　電荷收費站：電阻的基本概念
　　5　神奇八卦陣：材料結構與電阻的關係
　　6　秩序的力量：材料磁性結構與物性

第2章　金石時代
　　7　凍凍更健康：低溫物理的發展
　　8　暢行無阻：超導零電阻效應的發現
　　9　金鐘罩、鐵布衫：超導完全抗磁性的發現
　　10　四兩撥千斤：超導磁浮的基本原理
　　11　鬥毆的藝術：超導量子干涉的原理和...

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