温度:导电性的神奇“指挥家”
来源: 解放军报 2025-03-09 16:36:20 责编: 吕中石

最近热映的电影《哪吒之魔童闹海》中,有这样一个镜头:敖丙和申公豹父亲申正道在瀑布下激战时,申正道化身为一道电光,在水中疾驰。见此,敖丙把水变成冰,申正道的移动速度瞬间受到限制,局势实现逆转。

《哪吒之魔童闹海》虽是一部神魔题材电影,但是剧组在打磨这一细节上,应该也是充分考虑到了一些物理学常识:从水到冰,物质的形态发生了改变,其间电流的传递速度也会相应受到影响。

温度,会让物质的导电性发生变化。纯水本身导电性极差,但自然界中的水往往溶解着钙离子、镁离子等矿物离子。这些离子在水中宛如携带雷电的精灵,在电场的驱动下形成电流。

当温度降至零摄氏度以下,液态水变成固态冰时,冰中的水分子整齐排列,形成了规则的晶格“城堡”。那些原本自由移动的离子,被牢牢束缚在晶格之中,无法像在水中那样随意移动,故而难以继续传递电流。

如果温度升高,不仅能加快离子的热运动速度,还能撕开水对离子的黏度束缚,使溶液的导电效率进一步提升。不过,这一升温的增益也存在着临界点:当水溶液接近沸腾时,剧烈的蒸发反而会影响离子的传递。

不只在液体中,在金属等固态导体中,温度对电流的移动速度同样具有较大影响。

在设计一些对导电性要求极高的精密电子设备中,工程师们会想尽办法对金属部件进行散热,以降低温度,提高其导电性能。

与在水中不同,电子在金属导体中移动,就像在宽敞的马路上穿梭畅行。当温度升高,金属原子的热运动速度加剧,原本平坦的马路开始剧烈地起伏震动,这给电子的通行造成了阻碍,从而使金属本身的导电性降低。

还有一种在特殊温度情况下的超导现象——当某些物质的温度降低到一定程度时,其电阻会突然降为零。

1911年,荷兰物理学家昂内斯惊奇地发现,当温度降至-269℃时,汞的电阻突然消失,电流可以在其中毫无阻碍地流动,汞材料的这种特性在物理学上称为超导性,具备这种现象的材料被称为超导体。

超导体的发现,颠覆了人们对传统材料导电性的认知。物质一旦进入超导态,就仿佛为电流开辟了一条没有任何阻碍的“虚空领域”,电流得以在其中飞驰,不受丝毫束缚。

环顾人们周围的生活,超导体的应用前景广阔:在医疗领域,基于超导技术的磁共振成像(MRI)设备能够提供更为清晰、准确的人体内部图像;在交通领域,超导磁悬浮列车利用超导材料产生的强大磁场,使列车能够悬浮在轨道上高速运行,大大提高列车的运行速度和稳定性……

从神话中的冰封电流到现实中的广阔应用,温度就像物质导电性的神奇“指挥家”。它能将流动的电荷封印在冰晶之中,让金属导体的电流陷入堵塞,也能在绝对零度中为电流铺就绝对通路。从这个角度上看,每次温度的细微变化,不仅在改变着宏观世界表面的“体温”,也在重构着微观世界运行的“法则”。(丛士杰 李 芮)

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