Номер 2, страница 187, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Электрический заряд. Электрическое поле. Параграф 47. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 2, страница 187.

Условие.

• Сверхпроводимость.

Решение.

Сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов, называемых сверхпроводниками, обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при охлаждении ниже определённой температуры, называемой критической температурой ($T_c$). Это явление также сопровождается полным выталкиванием магнитного поля из объёма материала, что известно как эффект Мейснера.

Явление было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом при изучении электрического сопротивления ртути, охлажденной жидким гелием. Он обнаружил, что при температуре около 4.2 К (–269 °C) сопротивление ртути скачком падало до нуля.

Ключевыми свойствами сверхпроводников являются:

1. Нулевое электрическое сопротивление. В сверхпроводящем состоянии материал не оказывает сопротивления проходящему через него постоянному электрическому току. Это означает, что ток, возбужденный в замкнутом сверхпроводящем контуре, может протекать в нём неограниченно долго без затухания ($R = 0$).

2. Эффект Мейснера. При переходе в сверхпроводящее состояние в присутствии внешнего магнитного поля сверхпроводник выталкивает это поле из своего объёма. В результате магнитная индукция внутри сверхпроводника становится равной нулю ($B = 0$). Это свойство фундаментально отличает сверхпроводник от просто "идеального" проводника (у которого было бы лишь нулевое сопротивление) и доказывает, что сверхпроводимость является самостоятельным термодинамическим состоянием вещества. Сверхпроводник ведёт себя как идеальный диамагнетик.

Существование сверхпроводящего состояния ограничено тремя критическими параметрами:

• Критическая температура ($T_c$) — максимальная температура, при которой материал может быть сверхпроводником.
• Критическое магнитное поле ($B_c$) — максимальное внешнее магнитное поле, которое разрушает сверхпроводимость.
• Критическая плотность тока ($J_c$) — максимальная плотность тока, которую может нести сверхпроводник без потерь.

Сверхпроводники делятся на два типа:

• Сверхпроводники I рода: как правило, чистые металлы (свинец, алюминий, ртуть). Они характеризуются одним критическим полем $B_c$ и полным эффектом Мейснера. Переход в нормальное состояние происходит скачком при достижении критического поля.

• Сверхпроводники II рода: обычно сплавы и сложные химические соединения, включая высокотемпературные сверхпроводники. У них есть два критических поля: $B_{c1}$ и $B_{c2}$. При поле ниже $B_{c1}$ они ведут себя как сверхпроводники I рода. В диапазоне между $B_{c1}$ и $B_{c2}$ материал находится в "смешанном" состоянии: магнитное поле проникает внутрь в виде квантованных нитей (вихрей Абрикосова), в то время как остальная часть материала остаётся сверхпроводящей. Это позволяет сверхпроводникам II рода сохранять свои свойства в очень сильных магнитных полях, что делает их незаменимыми для практических применений.

Теоретическое объяснение низкотемпературной сверхпроводимости даёт теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), согласно которой электроны проводимости при низких температурах объединяются в куперовские пары. Эти пары, подчиняясь статистике Бозе-Эйнштейна, могут сконденсироваться в единое квантовое состояние и двигаться по кристаллической решётке без рассеяния.

Применение сверхпроводимости включает создание мощных электромагнитов для аппаратов МРТ и ускорителей частиц, поездов на магнитной левитации (маглев), чувствительных датчиков магнитного поля (СКВИДы), а также перспективные разработки в области передачи электроэнергии без потерь и квантовых компьютеров.

Ответ: Сверхпроводимость — это физическое явление, заключающееся в свойстве некоторых материалов при охлаждении ниже определённой критической температуры приобретать строго нулевое электрическое сопротивление и выталкивать из своего объёма магнитное поле (эффект Мейснера).