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电影悬停电影中的悬浮山在现实中会存在吗?

电影中的悬浮山在现实中会存在吗?

哈利路亚悬浮山是科幻电影《阿凡达》里最壮观的场景之一。很难想象,如此巨大的一座大山,居然能够悬浮在空中。电影里解释说是其中一种叫做“Unobtanium”的室温超导矿石,在潘多拉星球的磁场作用下,形成的巨型悬浮现象。室温超导体的重要性,从电影里不惜一切代价掠夺矿石的地球人就可以看出来。原因很简单,地球上目前为止尚未发现室温超导体。

电影中的悬浮山在现实中会存在吗?

电影中的悬浮山在现实中会存在吗?

所谓超导体,指的是在一定条件下(温度、磁场、压力等),某些电阻为零,且磁场无法穿透内部的材料。前者称之为零电阻效应,后者称之为完全抗磁性,两者是判定超导的必要条件,缺一不可。超导看似特殊,其实很普遍。元素周期表中大部分单质金属都是超导的,一些金属合金,金属间化合物,金属氧化物、硫化物、硒化物,有机物等等都可能是超导体。只是绝大部分超导体,都需要一个共同的特殊条件——低温。必须在足够低的温度才能实现上述的零电阻和完全抗磁性,目前这个记录最高是203 K,即-70℃。如果实现室温下(通常认为是300 K,约为27℃)的超导体,就称之为室温超导体,显然最高记录离室温还很遥远。更麻烦的是,这个记录保持者是200万个大气压下的H2S-H化合物,如此极端的条件是绝无可能实用化的。寻找到常压室温下,且可以实用化的超导体,一直以来都是超导研究者的梦想。

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超导磁悬浮,指的是利用超导体的特殊磁性质,实现的悬浮。要认识这个,首先必须知道超导体主要分为两类:第一类超导体和第二类超导体。前者只有一个临界磁场,即在超导态下增加外磁场,一旦突破某个临界值就破坏了超导电性,变成有电阻且不抗磁的正常态。后者有两个临界磁场,当磁场突破下临界场,完全抗磁性先被破坏,磁场部分进入超导体内部,但零电阻效应仍然存在,因为没被磁场覆盖部分仍然存在超导电流回路;继续增加磁场到磁通线完全覆盖超导体,即达到上临界场,零电阻才被彻底破坏,恢复到有电阻的正常态。绝大部分超导体都是第二类超导体,也是超导磁悬浮的关键。

换句话说,超导磁悬浮实际上并非只利用了超导的完全抗磁性。事实上,在一类超导体中实现磁悬浮是非常困难的,不仅仅是因为它们超导临界温度太低,还因为完全抗磁性难以保证稳定的悬浮。目前我们看到的超导磁悬浮演示实验都是利用铜氧化物高温超导材料做的,它们是极端的二类超导体,下临界场很低。因此,超导磁悬浮大都是在混合态下实现的。此时,磁场一部分穿透进入超导体内部,形成磁通线钉扎结构,超导体对进入其中的磁通线是存在吸引力作用的。因为磁场并未完全进入超导体,所以超导体对外磁场仍然存在抗磁引起的排斥力。这样,吸引力和排斥力,加上超导体本身的重力,三者相互制衡,才出现超导磁悬浮现象。

需要进一步说明的是,超导磁悬浮包括“悬”和“浮”两个方面,即超导体既可以浮在磁铁上面,也可以悬挂在磁铁下面,后者更体现了超导体对外磁场的吸引力。正是超导体这种特殊磁悬浮,使得超导在磁力应用方面具有独特作用。

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