Номер 2, страница 309 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Высокотемпературные проводники и их особенности.

2. Высокотемпературные проводники и их особенности.

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — это материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах, значительно превышающих температуры, достижимые с помощью жидкого гелия. Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическое сопротивление материала падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры $T_c$.

Традиционно сверхпроводники, открытые до 1986 года, требовали для работы охлаждения жидким гелием (температура кипения 4.2 К). ВТСП же определяются как сверхпроводники с критической температурой выше 30 К, но более практичное определение связывает их с возможностью использования жидкого азота в качестве хладагента (температура кипения 77 К). Это делает их использование экономически гораздо более выгодным.

Основными особенностями высокотемпературных сверхпроводников являются:

1. Сложный химический состав. В отличие от низкотемпературных сверхпроводников, которые часто являются чистыми металлами (например, ниобий) или простыми сплавами, ВТСП — это сложные керамические материалы, как правило, оксиды. Наиболее известным классом являются купраты — соединения на основе оксидов меди. Примером служит иттрий-бариевый купрат (YBa₂Cu₃O₇), известный как YBCO, с критической температурой около 92 К.

2. Анизотропия свойств. ВТСП имеют слоистую кристаллическую структуру. Их электрические и магнитные свойства (например, критическая плотность тока) сильно зависят от направления. Проводимость вдоль медь-кислородных плоскостей значительно выше, чем в перпендикулярном направлении. Это усложняет производство проводов и лент с высокими характеристиками.

3. Сверхпроводимость II рода. Все ВТСП являются сверхпроводниками II рода. Это означает, что они имеют два критических магнитных поля: нижнее ($H_{c1}$) и верхнее ($H_{c2}$). В диапазоне полей между $H_{c1}$ и $H_{c2}$ материал находится в смешанном состоянии: магнитное поле проникает внутрь в виде квантованных вихрей (вихри Абрикосова), в то время как остальная часть материала остается сверхпроводящей. Верхние критические поля у ВТСП могут достигать сотен Тесла, что делает их перспективными для создания сверхсильных магнитов.

4. Не до конца изученный механизм сверхпроводимости. Механизм образования куперовских пар в низкотемпературных сверхпроводниках хорошо описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), где спаривание электронов происходит за счет взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки (фононами). В ВТСП фононный механизм, по-видимому, не является основным. Предполагается, что ключевую роль играют магнитные взаимодействия (например, спиновые флуктуации), но единой, общепринятой теории до сих пор не существует.

5. Хрупкость. Будучи керамикой, ВТСП-материалы очень хрупкие, в отличие от пластичных металлов. Это создает значительные технологические трудности при изготовлении из них длинных проводов или лент, необходимых для практического применения (например, в линиях электропередач или обмотках магнитов).

Ответ: Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — это класс материалов, в основном сложных оксидных керамик (например, купратов), которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше точки кипения жидкого азота (77 К). Их ключевые особенности: сложный химический состав, анизотропия свойств из-за слоистой структуры, принадлежность к сверхпроводникам II рода с очень высокими верхними критическими полями, хрупкость и не до конца понятый механизм сверхпроводимости, отличный от классической теории БКШ.