Номер 3, страница 380 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 115. Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость. Глава 16. Электрический ток в различных средах - номер 3, страница 380.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Сверхпроводники — это материалы, которые при определенных условиях обладают нулевым электрическим сопротивлением. Это свойство открывает огромные перспективы для их применения, однако на пути их широкого практического внедрения стоит ряд серьезных технических трудностей.

1. Необходимость глубокого охлаждения

Главным препятствием является то, что сверхпроводимость проявляется только при очень низких, криогенных температурах. Сверхпроводники делятся на два типа:

• Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП), такие как ниобий-титан ($NbTi$), требуют охлаждения до температур жидкого гелия, то есть около $4$ К ($-269$ °C). Системы охлаждения на основе жидкого гелия чрезвычайно сложны, дороги и энергозатратны.
• Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), например, на основе оксидов меди (купратов), переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше $77$ К ($-196$ °C), что позволяет использовать для охлаждения более дешевый и доступный жидкий азот. Однако даже поддержание такой температуры требует сложных и громоздких теплоизоляционных систем (криостатов) и постоянного расхода энергии.

Ответ: Основная трудность — необходимость охлаждения до сверхнизких температур, что требует сложных, дорогих и энергоемких криогенных систем.

2. Хрупкость и сложность производства

Многие перспективные сверхпроводящие материалы, особенно ВТСП, по своей химической природе являются керамиками. Керамические материалы очень хрупкие и плохо поддаются механической обработке. Изготовление из них длинных и гибких проводов или лент, которые необходимы для создания обмоток мощных магнитов или кабелей электропередач, является сложной технологической задачей. Существующие технологии, например, "порошок в трубе" (powder-in-tube), сложны и дороги, а полученные провода остаются чувствительными к механическим деформациям и вибрациям.

Ответ: Высокотемпературные сверхпроводники — это, как правило, хрупкие керамические материалы, что делает производство из них гибких проводов и лент технологически сложным, дорогостоящим и ограничивает их механическую прочность.

3. Ограничения по критическим параметрам

Сверхпроводящее состояние существует только в определенном диапазоне трех параметров: температуры ($T$), плотности тока ($J$) и напряженности магнитного поля ($H$). Если хотя бы один из этих параметров превысит свое критическое значение ($T_c$, $J_c$, $H_c$), материал теряет сверхпроводимость и переходит в обычное, резистивное состояние. Для многих применений (например, в ускорителях частиц, термоядерных реакторах или мощных линиях электропередач) требуются материалы, способные выдерживать одновременно и высокие токи, и сильные магнитные поля при практически достижимых температурах. Создание материалов с высоким значением всех трех критических параметров — одна из ключевых задач современного материаловедения.

Ответ: Сверхпроводимость разрушается при превышении критических значений температуры, плотности тока и магнитного поля, что ограничивает мощность и условия эксплуатации устройств на их основе.

4. Проблема стабильности и явление квенча

Квенч (от англ. quench — гасить) — это лавинообразная потеря сверхпроводимости. Локальный нагрев, вызванный, например, микроскопическим движением провода, может перевести небольшой участок в нормальное состояние. В этом месте начинает выделяться тепло из-за появления сопротивления, которое нагревает соседние участки, и волна "нормального" состояния быстро распространяется по всему устройству. В мощных сверхпроводящих магнитах накоплена огромная энергия. Ее быстрое выделение в виде тепла при квенче может привести к взрывному испарению охладителя (жидкого гелия или азота) и разрушению всей установки. Проектирование надежных систем защиты от квенча, способных безопасно отвести накопленную энергию, — сложная и дорогостоящая инженерная задача.

Ответ: Внезапная потеря сверхпроводимости (квенч) может привести к катастрофическому выделению энергии и разрушению устройства, что требует создания сложных и дорогих систем защиты и стабилизации.

5. Высокая стоимость

Совокупная стоимость сверхпроводниковых технологий является еще одним серьезным барьером. Она складывается из высокой цены на сами сверхпроводящие материалы (некоторые содержат редкоземельные элементы), сложного и дорогого процесса изготовления из них проводов, а также затрат на криогенное оборудование и его эксплуатацию. В результате, несмотря на очевидные преимущества (например, передача энергии без потерь), капитальные вложения в сверхпроводниковые проекты оказываются значительно выше, чем в традиционные, что делает их экономически неконкурентоспособными во многих сферах.

Ответ: Высокая итоговая стоимость, включающая цену материалов, сложность производства и затраты на криогенные системы, ограничивает экономическую целесообразность использования сверхпроводников.