Номер 5, страница 137 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

5. Какие преимущества имеют сверхпроводники?

Сверхпроводники – это материалы, которые при охлаждении ниже определенной критической температуры ($T_c$) полностью теряют электрическое сопротивление. Это уникальное свойство, а также другие связанные с ним эффекты, обуславливают ряд значительных преимуществ перед обычными проводниками.

Основные преимущества сверхпроводников:

1. Передача электроэнергии без потерь. Поскольку электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю ($R=0$), при протекании через него электрического тока не происходит выделения тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца ($Q = I^2Rt$). Это позволяет передавать электроэнергию на большие расстояния без потерь, которые в обычных линиях электропередачи могут достигать 10-15%. Использование сверхпроводящих кабелей могло бы кардинально повысить эффективность энергетических систем.

2. Создание сверхсильных магнитных полей. Сверхпроводники способны выдерживать очень высокие плотности тока без нагрева и разрушения. Это позволяет создавать на их основе компактные и мощные электромагниты. Такие магниты генерируют поля, в десятки и сотни тысяч раз превышающие магнитное поле Земли. Они незаменимы в таких областях, как:

- Медицина: в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) для получения детальных изображений внутренних органов.

- Научные исследования: в ускорителях заряженных частиц (например, Большой адронный коллайдер), где сильные магнитные поля необходимы для удержания и управления пучками частиц, а также в установках для исследований в области физики плазмы (токамаки).

- Промышленность: в научных приборах, например, в спектрометрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

3. Эффект магнитной левитации. Сверхпроводники в сверхпроводящем состоянии выталкивают из своего объема магнитное поле (эффект Мейснера). Это свойство позволяет им "парить" над постоянным магнитом (или наоборот). Этот принцип используется для создания поездов на магнитной подушке (маглев), которые могут передвигаться с огромной скоростью без трения о рельсы.

4. Создание высокочувствительных датчиков и быстрой электроники. На основе сверхпроводников, в частности с использованием эффекта Джозефсона, создаются СКВИДы (сверхпроводящие квантовые интерферометры). Это самые чувствительные в мире детекторы магнитного поля, способные измерять поля, в миллиарды раз слабее магнитного поля Земли. Они применяются в медицине (магнитоэнцефалография, магнитокардиография), геофизике и фундаментальных исследованиях. Также сверхпроводящие элементы (кубиты) являются одной из ведущих платформ для создания квантовых компьютеров.

Несмотря на эти преимущества, широкое применение сверхпроводников пока ограничено необходимостью их сильного охлаждения (часто до температур жидкого гелия или азота), что является сложной и дорогостоящей задачей. Однако открытие высокотемпературных сверхпроводников, работающих при температуре кипения жидкого азота ($77\ \text{К}$ или $-196\ ^\circ\text{C}$), значительно упростило эту проблему и расширило перспективы их использования.

Ответ:

Ключевые преимущества сверхпроводников заключаются в их нулевом электрическом сопротивлении и способности выталкивать магнитное поле (эффект Мейснера). Это позволяет передавать электроэнергию без потерь, создавать чрезвычайно сильные и стабильные магнитные поля для МРТ и ускорителей частиц, реализовывать магнитную левитацию для высокоскоростного транспорта, а также разрабатывать сверхчувствительные датчики и элементы для квантовых компьютеров.