你有没有问过自己，为什么与120V（美国）/230V（欧洲）的电压相比，电力线的电压会如此之高（几千伏）？要了解为什么会这样，我们必须思考电力在电缆中的传输方式。你一给电缆施加电压，其中就会出现电场，原本在移动的电荷便开始加速。这些电荷的运动就是电流。你可以把这种电流想象成高速公路上的汽车。高强度的电流对应的是大量的汽车或高速行驶的汽车。但幸运的是，高速公路上的汽车运动和电缆中的电子运动有一个区别。汽车要尽量不与其他车辆或交通护栏发生相互作用，而电子之间却总要发生相互作用。这种相互作用的量被量化为电阻或欧姆电阻，限制了电流。欧姆定律正是这样规定的：对于一定的电压U，电流I受到电阻R的限制，公式为U=R·I。在电流中的电子和它流过的导体中的电子相互作用的过程中，它们会传递能量。于是电能就转换为了热能，导体就会升温。你可以验证一下，如果你用一个耗能大、需要大量电流的设备，比方说热水器，用的时候摸摸电缆吧！电缆是热的，不是吗？
欧姆电阻会导致不必要的影响。电厂生产电能，传输给你，一部分能量会在途中随着传输电缆的发热而流失。传输的电能有一定的百分比会在途中流失。一方面，高电阻的电缆会让损失更大；另一方面，较高的电压可以让损失减少，而这就是电力线电压高的原因。显然，用较高的电压运行并不总是可以成为降低功率损耗的选择。例如，欧姆电阻限制了我们可以在电磁铁中使用的电流强度，而当我们为获得更高的电流而制造更强的磁场时，这同时也限制了我们可以获得的磁场强度。
现在你可以问这么一个好问题：有没有办法降低欧姆电阻？有。这取决于电缆的厚度和长度。横截面越大，电缆越短，电阻越低。但短而粗的电缆往往不是很实用。电阻率还有一个决定因素：导体的温度。对于少数导体来说，温度越高，电阻率越低（主要是半导体），但对于大多数导体来说，高温会让电阻率增加。
极冷环境中出乎意料的一跳
1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯测量了水银的电阻。他采用了多种温度检验了“温度越低，电阻越低”的原理。液氦可以用来把东西冷却到非常非常低的温度。于是，他测量了温度为4.4开尔文时水银的电阻率，该温度相当于-268.75摄氏度或-451.75华氏度。（使用开尔文标度是因为它有一个定义明确的0值：我们不可能达到比0开尔文更冷的温度了。温度与原子的运动相对应，而在0开尔文时，原子就都静止不动了。）也就是说，卡末林·昂内斯准备了非常非常冷的水银。他将温度降到4.3开尔文时，水银的电阻率更小了。但温度降到4.2开尔文时，电阻率出现了变化，突然跳到了0，没有欧姆电阻了。这完全出乎他的意料。
他发现的是超导现象，他还因此获得了1913年的诺贝尔奖（他获诺奖不仅是因为这项发现，也是因为他在超低温物理方面的贡献）。超导体的定义是电阻为零的导体。对于整个物理学界来说，这个现象完全是个惊喜。他们用了大约50年的时间才为这种效应找到合理的解释。1957年，物理学家巴登、库珀和施里弗提出了一个理论（BCS理论，将三人名字的首字母放在一起命名），告诉我们那个现象实际发生了什么。简单地说，电流中的一个电子吸引了导体中的正电荷，来自导体的第二个电子也加入其中，于是，两个电子形成所谓的“库珀对”。单个电子是费米子（自旋为1/2），最多只能有一个具有相同性质的电子在同一个地方，而库珀对则是一个玻色子（自旋为整数）：两个电子的自旋为1/2，指向相同或相反的方向，导致总自旋为1或0。玻色子有个好处是：你可以在同一个地方放任意多的相同状态的玻色子。因此，所有这些库珀对都将处于相同的状态，并像一个整体一样行动。如果导体中的一个原子要与电流中的一个电子相互作用（就像欧姆电阻那个例子里发生的一样），它就必须同时与所有这些电子相互作用。而在如此低的温度下，导体中原子的能量不足以支持它们这么做。这正是电子可以畅通无阻地通过导体的原因。
磁场，你快走开！
超导性带来了一个不错的效果。通常情况下，如果你把导体放入磁场中，磁场线会穿过导体。物理学家瓦尔特·迈斯纳和罗伯特·奥克森费尔德观察到，与普通导体相反，超导体会排斥整个磁场。这是超导体表面的磁场感应产生的电流引起的。这些电流产生一个反磁场，抵消了导体中的外部磁场。于是我们就得到了一种无场导体。这种效果对物理学家来说不仅很有趣，而且也很好看。一个排斥所有磁场线的超导体的行为，将与一个完美的反磁体（这种磁体一旦被放入外部磁场中，它就会沿相反的方向产生自己的磁场，而且会和外部磁场互斥）一样；如果将其置入外部磁场中，它就会像图23照片中那样悬浮起来。
新的可能性
想象一下超导体的可能性吧！没有电阻意味着你可以无损耗地传输能量。虽然超导体的冷却仍然相当复杂和昂贵，但一些电力供应商已经开始使用超导电缆了。如果电缆不再发热，你也可以通过这些电缆输送更多的电力。尽管根据型号可能情况有所不同，家用保险丝往往在20安培的电流流过时就会熔断（以防止电缆熔化），而超导电缆即使承受更大的电流也没有问题。在上方右侧的照片中，你可以看到两根电缆，它们都能传输12000安培的电流。大的那根是传统导体，需要在其中加水冷却。小的那根是超导体。要在电磁铁中产生非常高强度的磁场，需要细电缆中的高强度电流。因此，每当需要强磁场的情况出现时，例如在粒子加速器或MRI（核磁共振扫描仪）中，人们就会非常喜欢用超导体。
物理学家们研究了可以作为超导体使用的不同材料。在粒子加速器LHC（大型强子对撞机）的磁体（照片中的细电缆）中，人们使用了一种由铌和钛组成的材料。材料成为超导体的温度各不相同。特别值得关注的是那些不必冷却到4K就能成为超导体的材料，如LHC上的材料，就只需冷却到约100开尔文（这也是-173摄氏度的超低温，但是知足吧……），在冷却这种材料时，我们就可以不用液氦（这种物质不但稀有，而且格外昂贵），改用液氮了。希望未来对冷却程度要求更低的新材料能被开发出来。但现在的情况很清楚，这种材料生产起来非常复杂，而且难度很高。
