Темы докладов, страница 103 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 25. Электроскоп. Делимость электрического заряда. Обсудить в классе - страница 103.

Условие.

Сверхпроводимость.

Решение.

Решение

1. Что такое сверхпроводимость?

Сверхпроводимость — это квантовое явление, наблюдаемое у некоторых материалов при их охлаждении ниже определённой критической температуры ($T_c$). В сверхпроводящем состоянии материал обладает двумя ключевыми свойствами: его электрическое сопротивление падает до абсолютного нуля, а магнитное поле полностью выталкивается из его объёма (эффект Мейснера).

Падение сопротивления до нуля означает, что электрический ток, запущенный в замкнутом контуре из сверхпроводника, может течь в нём вечно без затухания и без внешнего источника энергии, так как отсутствуют потери на нагрев. Электрическое сопротивление $\text{R}$ в сверхпроводящем состоянии равно $R=0$.

Ответ: Сверхпроводимость — это состояние некоторых материалов при низких температурах, характеризующееся нулевым электрическим сопротивлением и полным выталкиванием магнитного поля.

2. История открытия

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом в Лейденской лаборатории. Проводя эксперименты по изучению свойств веществ при сверхнизких температурах, полученных с помощью сжиженного гелия, он обнаружил, что при температуре около 4,2 К (–269 °C) электрическое сопротивление ртути скачкообразно падало до нуля. За свои исследования в области низких температур, которые привели к открытию сверхпроводимости, Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии по физике в 1913 году.

Ответ: Сверхпроводимость была открыта Хейке Камерлинг-Оннесом в 1911 году при исследовании электрического сопротивления ртути при температуре 4,2 К.

3. Основные свойства и характеристики

Сверхпроводящее состояние определяется тремя критическими параметрами:

• Критическая температура ($T_c$): Максимальная температура, при которой материал может находиться в сверхпроводящем состоянии. Выше этой температуры материал является обычным проводником.
• Критическое магнитное поле ($H_c$ или $B_c$): Максимальная напряжённость внешнего магнитного поля, при которой материал сохраняет сверхпроводимость. При превышении этого поля сверхпроводимость разрушается.
• Критическая плотность тока ($J_c$): Максимальная плотность постоянного электрического тока, который может протекать через сверхпроводник без нарушения сверхпроводящего состояния.

Важнейшим свойством, отличающим сверхпроводник от идеального проводника (гипотетического материала с $R=0$, но без квантовых свойств), является эффект Мейснера. Он заключается в том, что при переходе в сверхпроводящее состояние материал выталкивает из своего объёма силовые линии магнитного поля. В результате магнитная индукция $\text{B}$ внутри сверхпроводника становится равной нулю ($B=0$). Именно это свойство позволяет сверхпроводящим магнитам левитировать.

Ответ: Ключевыми характеристиками сверхпроводника являются критическая температура, критическое магнитное поле и критическая плотность тока, а определяющим свойством — эффект Мейснера (выталкивание магнитного поля).

4. Типы сверхпроводников

Сверхпроводники принято делить на два типа в зависимости от их поведения в магнитном поле.

• Сверхпроводники I рода: Это, как правило, чистые металлы (например, ртуть, свинец, алюминий). Они характеризуются полным эффектом Мейснера. При достижении критического поля $H_c$ сверхпроводимость разрушается скачкообразно, и материал полностью переходит в нормальное состояние. Они имеют низкие значения критических полей и температур, что ограничивает их практическое применение.
• Сверхпроводники II рода: К этому типу относятся многие сплавы и керамические соединения. У них есть два критических поля: $H_{c1}$ и $H_{c2}$. При поле ниже $H_{c1}$ они ведут себя как сверхпроводники I рода (полный эффект Мейснера). В диапазоне полей между $H_{c1}$ и $H_{c2}$ материал переходит в смешанное состояние (или вихревое состояние), в котором магнитное поле частично проникает внутрь в виде квантованных нитей (вихрей Абрикосова), а остальная часть объёма остаётся сверхпроводящей. Полное разрушение сверхпроводимости происходит только при поле $H_{c2}$, которое может быть в сотни раз выше, чем $H_c$ для сверхпроводников I рода. Именно сверхпроводники II рода используются для создания мощных магнитов.

Ответ: Сверхпроводники делятся на I род (чистые металлы, резкий переход, полное выталкивание поля) и II род (сплавы и керамика, два критических поля, смешанное состояние), который используется в большинстве практических приложений.

5. Теория и применение

Микроскопическое объяснение сверхпроводимости I рода было дано в 1957 году Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (теория БКШ). Согласно этой теории, при низких температурах электроны в кристаллической решётке объединяются в пары (куперовские пары) за счёт взаимодействия с колебаниями решётки (фононами). Эти пары ведут себя как единые частицы (бозоны) и могут сконденсироваться в единое квантовое состояние, двигаясь через кристалл без рассеяния, то есть без сопротивления.

В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на основе керамики, которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше 77 К (температура кипения жидкого азота), что значительно удешевило их охлаждение и расширило перспективы применения. Механизм ВТСП до конца не ясен и не полностью описывается классической теорией БКШ.

Применение сверхпроводимости:

• Медицина: Создание мощных магнитов для аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ).
• Наука: Магниты для ускорителей заряженных частиц (например, Большой адронный коллайдер), установок термоядерного синтеза (токамаки).
• Электроника: Создание сверхчувствительных датчиков магнитного поля (СКВИДы), которые используются в геофизике и медицине.
• Транспорт: Поезда на магнитной левитации (Маглев), способные развивать высокие скорости за счёт отсутствия трения.
• Энергетика: Разработка сверхпроводящих кабелей для передачи электроэнергии без потерь.

Ответ: Теоретической основой является теория БКШ, объясняющая образование куперовских пар. Сверхпроводники применяются для создания мощных магнитов (МРТ, ускорители), в чувствительных датчиках, транспорте (Маглев) и энергетике.