Номер 1, страница 309 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Сверхпроводники и их характеристики.

1. Сверхпроводники и их характеристики.

Сверхпроводники — это материалы, которые при охлаждении ниже определённой, характерной для данного материала, температуры (называемой критической температурой, $T_c$) переходят в особое состояние, характеризующееся двумя фундаментальными свойствами: полным отсутствием электрического сопротивления и выталкиванием магнитного поля из своего объёма (эффект Мейснера).

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом при изучении электрического сопротивления ртути, охлаждённой с помощью жидкого гелия. Он обнаружил, что при температуре около 4.2 К (–269 °C) сопротивление образца ртути скачкообразно падало до нуля.

К основным характеристикам, описывающим сверхпроводящее состояние, относятся:

Нулевое электрическое сопротивление

Это основное свойство, давшее название явлению. При температурах ниже $T_c$ электрическое сопротивление материала становится практически равным нулю. Это означает, что электрический ток, однажды созданный в замкнутом сверхпроводящем контуре, может течь без затухания неограниченно долго, так как отсутствуют потери энергии на джоулево тепло. Это свойство открывает перспективы для создания линий электропередачи без потерь и мощных электромагнитов.

Критическая температура ($T_c$)

Это пороговая температура, выше которой материал находится в обычном ("нормальном") состоянии с конечным электрическим сопротивлением, а ниже которой переходит в сверхпроводящее состояние. Для каждого сверхпроводника значение $T_c$ является постоянной величиной. Сверхпроводники делят на два типа по значению $T_c$:

• Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП): их $T_c$ обычно не превышает 30 К (–243 °C). Для их охлаждения требуется дорогостоящий жидкий гелий.
• Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП): открытые с 1986 года, имеют $T_c$ выше 30 К. Некоторые из них имеют $T_c$ выше температуры кипения жидкого азота (77 К, –196 °C), что значительно удешевляет и упрощает их практическое применение.

Эффект Мейснера

Это второе фундаментальное свойство сверхпроводника. Оно заключается в том, что при переходе в сверхпроводящее состояние материал выталкивает из своего объёма внешнее магнитное поле. В результате внутри сверхпроводника магнитное поле равно нулю. Это свойство делает сверхпроводник идеальным диамагнетиком. Именно эффект Мейснера, а не просто нулевое сопротивление, является уникальным признаком сверхпроводимости и отличает сверхпроводник от идеального проводника. Благодаря этому эффекту возможна магнитная левитация, когда сверхпроводящий объект "парит" над магнитом.

Критическое магнитное поле ($H_c$ или $B_c$)

Сверхпроводящее состояние может быть разрушено не только нагревом, но и достаточно сильным внешним магнитным полем. Значение индукции магнитного поля, при котором сверхпроводимость исчезает, называется критическим полем. Величина $H_c$ зависит от температуры: она максимальна при абсолютном нуле ($T=0$ К) и уменьшается до нуля при $T = T_c$. Приблизительная зависимость имеет вид: $H_c(T) \approx H_c(0)[1 - (T/T_c)^2]$.

Критическая плотность тока ($J_c$)

Сверхпроводимость также разрушается, если по сверхпроводнику пропустить ток, плотность которого превышает некоторое критическое значение $J_c$. Это связано с тем, что электрический ток сам создаёт вокруг себя магнитное поле, которое при достижении критического значения $H_c$ разрушает сверхпроводящее состояние (правило Силсби).

В зависимости от поведения в магнитном поле сверхпроводники делятся на два типа:

Сверхпроводники I рода

К ним относятся в основном чистые металлы (например, Pb, Sn, Al, Hg). Они характеризуются одним значением критического поля $H_c$. При приложении поля $H < H_c$ они полностью выталкивают его (полный эффект Мейснера). При $H > H_c$ они резко переходят в нормальное состояние. Из-за низких значений $H_c$ их применение ограничено.

Сверхпроводники II рода

К ним относятся сплавы и сложные оксидные соединения (например, Nb-Ti, Nb₃Sn и все ВТСП). Они имеют два критических поля: нижнее ($H_{c1}$) и верхнее ($H_{c2}$).

• При $H < H_{c1}$ они ведут себя как сверхпроводники I рода.
• В диапазоне $H_{c1} < H < H_{c2}$ материал находится в "смешанном" состоянии: магнитное поле проникает внутрь в виде квантованных магнитных нитей (вихрей Абрикосова), в то время как остальной объём материала остаётся сверхпроводящим.
• При $H > H_{c2}$ сверхпроводимость полностью разрушается.

Значение $H_{c2}$ для сверхпроводников II рода может быть очень высоким, что позволяет использовать их для создания сверхсильных магнитов (например, в томографах МРТ и ускорителях частиц).

Ответ: Сверхпроводники — это материалы, обладающие свойством сверхпроводимости, то есть нулевым электрическим сопротивлением и способностью выталкивать магнитное поле (эффект Мейснера) при охлаждении ниже критической температуры $T_c$. Их состояние также характеризуется критическим магнитным полем $H_c$ и критической плотностью тока $J_c$, при превышении которых сверхпроводимость разрушается. Различают сверхпроводники I и II рода, отличающиеся поведением в магнитном поле; сверхпроводники II рода способны сохранять свои свойства в очень сильных магнитных полях, что определяет их широкое техническое применение.