Номер 1, страница 182 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. «Электрические термометры».

2. «Высокотемпературные сверхпроводники».

3. «Применение сверхпроводников».

1. «Электрические термометры»

Электрические термометры — это приборы для измерения температуры, принцип действия которых основан на зависимости электрических свойств материалов от температуры. Они преобразуют температуру в измеряемый электрический сигнал (сопротивление, напряжение), что позволяет достигать высокой точности, автоматизировать измерения и передавать данные на расстояние. Существует несколько основных типов электрических термометров.

Термометры сопротивления (термосопротивления)

Их работа основана на свойстве проводников и полупроводников изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры. Для большинства металлов сопротивление растёт с ростом температуры. Эта зависимость в определённом диапазоне температур близка к линейной и может быть описана формулой: $R_t = R_0(1 + \alpha \cdot \Delta T)$, где $R_t$ — сопротивление при измеряемой температуре, $R_0$ — сопротивление при начальной температуре (например, при 0 °C), $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления материала, а $\Delta T$ — изменение температуры. В качестве материала для чувствительного элемента чаще всего используют платину (например, датчики Pt100, Pt1000), медь и никель из-за их стабильности и линейности характеристики. Термометры сопротивления отличаются высокой точностью и стабильностью, что делает их незаменимыми в лабораторных и промышленных условиях для точных измерений.

Термисторы (полупроводниковые термометры)

Термисторы — это резисторы, изготовленные из полупроводниковых материалов, чьё сопротивление сильно зависит от температуры. В отличие от металлов, их зависимость нелинейна, но обладает гораздо большей чувствительностью. Существуют два основных типа термисторов: с отрицательным температурным коэффициентом (NTC-термисторы), у которых сопротивление падает с ростом температуры, и с положительным (PTC-термисторы), у которых сопротивление резко возрастает при достижении определённой температуры. Благодаря высокой чувствительности и низкой стоимости, NTC-термисторы широко применяются в бытовой технике (электронные градусники, холодильники, кондиционеры), автомобильной электронике и системах температурной компенсации.

Термопары (термоэлектрические преобразователи)

Принцип действия термопар основан на эффекте Зеебека: если соединить два разнородных проводника и поддерживать места их контактов (спаи) при разной температуре, в цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС), величина которой зависит от разности температур спаев. Измеряя эту ЭДС, можно определить температуру измерительного («горячего») спая, если температура второго («холодного») спая известна и постоянна. Термопары изготавливаются из различных комбинаций металлов и сплавов (хромель-алюмель, железо-константан, платина-платинородий), что позволяет им работать в чрезвычайно широком диапазоне температур — от криогенных (около -200 °C) до очень высоких (свыше 2000 °C). Они прочны, дёшевы и не требуют источника питания, но обычно уступают термометрам сопротивления в точности. Их применяют в промышленности для контроля высокотемпературных процессов (печи, двигатели), а также в научных исследованиях.

Ответ: Электрические термометры — это устройства, измеряющие температуру на основе температурной зависимости электрических параметров материалов. Основные типы включают: термометры сопротивления (высокоточные, на основе изменения сопротивления металлов, например, платины), термисторы (высокочувствительные, на основе полупроводников) и термопары (работающие в широчайшем диапазоне температур благодаря термоэлектрическому эффекту).

2. «Высокотемпературные сверхпроводники»

Сверхпроводимость — это квантовое явление, заключающееся в полном исчезновении электрического сопротивления и выталкивании магнитного поля (эффект Мейснера) из объёма материала при его охлаждении ниже определённой критической температуры ($T_c$). Материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше 77 К (-196,15 °C), то есть выше точки кипения жидкого азота, принято называть высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП).

Открытие сверхпроводимости было сделано в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннесом, который обнаружил, что сопротивление ртути падает до нуля при температуре около 4,2 К. Долгое время сверхпроводимость наблюдалась лишь при температурах, требующих для охлаждения дорогостоящего и труднодоступного жидкого гелия.

Революция в этой области произошла в 1986 году, когда Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли сверхпроводимость в керамическом материале на основе оксидов лантана, бария и меди (La-Ba-Cu-O) при температуре около 35 К. Это открытие, удостоенное Нобелевской премии по физике уже в 1987 году, положило начало гонке за повышение критической температуры. Вскоре были синтезированы новые соединения, в частности, иттрий-бариевая медная керамика (YBCO), имеющая $T_c$ около 93 К. Это было принципиально важным достижением, так как впервые порог кипения жидкого азота (77 К) был преодолён, что открыло путь к более дешёвым и практичным технологиям охлаждения.

Большинство ВТСП являются сложными оксидами металлов (купратами) и относятся к сверхпроводникам II рода. Они обладают рядом особенностей:

• Керамическая природа: ВТСП — это хрупкие керамические материалы, что затрудняет изготовление из них длинных гибких проводов или кабелей.

• Анизотропия: Их сверхпроводящие свойства сильно зависят от направления протекания тока относительно кристаллической структуры.

• Механизм сверхпроводимости: В отличие от «классических» низкотемпературных сверхпроводников, чьё поведение удовлетворительно описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера (БKШ), общепринятой теории высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не существует. Это одна из главных нерешённых задач современной физики конденсированного состояния.

На сегодняшний день рекорд критической температуры при атмосферном давлении составляет около 138 К для одного из ртутьсодержащих купратов. При сверхвысоких давлениях (сотни гигапаскалей) были достигнуты и более высокие температуры, приближающиеся к комнатной, например, в гидридах лантана ($LaH_{10}$) при $T_c \approx 250$ К (-23 °C).

Ответ: Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — это материалы, проявляющие свойство нулевого электрического сопротивления при температурах выше точки кипения жидкого азота (77 К). Их открытие в 1986 году позволило использовать для охлаждения дешёвый жидкий азот вместо дорогого жидкого гелия, что значительно расширило перспективы практического применения сверхпроводимости. В основном это сложные керамические оксиды (купраты), механизм сверхпроводимости в которых до сих пор не имеет полного теоретического объяснения.

3. «Применение сверхпроводников»

Уникальные свойства сверхпроводников — нулевое электрическое сопротивление и способность выталкивать магнитное поле (эффект Мейснера) — открывают возможности для создания прорывных технологий в различных областях науки и техники.

Сверхпроводящие магниты. Это основная и наиболее развитая область применения. Поскольку ток в сверхпроводящем контуре может циркулировать без потерь неограниченно долго, можно создавать чрезвычайно сильные и стабильные магнитные поля, недостижимые для обычных электромагнитов.

• Магнитно-резонансная томография (МРТ): Самое массовое коммерческое применение. Мощные сверхпроводящие магниты являются сердцем МРТ-сканеров, позволяющих получать детальные изображения внутренних органов и мягких тканей человека.

• Ускорители заряженных частиц: Тысячи сверхпроводящих магнитов используются в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, для удержания и фокусировки пучков частиц, разогнанных до околосветовых скоростей.

• Термоядерный синтез: В установках типа токамак (например, международный проект ИТЭР) гигантские сверхпроводящие магниты создают магнитное поле для удержания высокотемпературной плазмы, в которой должен происходить управляемый термоядерный синтез.

• Поезда на магнитной левитации (Маглев): Сверхпроводящие магниты, установленные на поезде, взаимодействуют с магнитами на путевом полотне, обеспечивая левитацию и движение состава без трения с очень высокими скоростями (свыше 600 км/ч).

• Научные приборы: Спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для анализа структуры молекул в химии и биологии.

Энергетика.

• Линии электропередачи (ЛЭП): Сверхпроводящие кабели позволяют передавать электроэнергию без потерь на нагрев, что могло бы сэкономить до 10-15% всей вырабатываемой энергии. Уже существуют пилотные проекты таких ЛЭП в нескольких городах мира.

• Ограничители тока короткого замыкания: Устройства, которые при резком скачке тока (коротком замыкании) мгновенно переходят из сверхпроводящего в обычное состояние с высоким сопротивлением, тем самым защищая электросети от повреждений.

• Накопители энергии (SMES): Системы, которые запасают энергию в магнитном поле сверхпроводящей катушки и могут отдавать её практически мгновенно.

Электроника и квантовые технологии.

• СКВИД-магнитометры: Сверхпроводящие квантовые интерференционные датчики (СКВИДы) — самые чувствительные из существующих детекторов магнитного поля. Они используются в медицине для магнитоэнцефалографии (картирования активности мозга), в геологоразведке и для неразрушающего контроля материалов.

• Квантовые компьютеры: Сверхпроводящие кубиты (трансмоны) являются одной из самых перспективных платформ для создания мощных квантовых процессоров, способных решать задачи, недоступные классическим компьютерам.

• Высокочастотные фильтры: Для систем мобильной связи и спутников, где они обеспечивают высококачественную фильтрацию сигналов с минимальными потерями.

Ответ: Сверхпроводники применяются для создания мощнейших магнитов (в МРТ-томографах, ускорителях частиц, термоядерных реакторах, поездах-маглевах), для передачи электроэнергии без потерь, в сверхчувствительных датчиках магнитного поля (СКВИДах) и в качестве основы для создания кубитов в квантовых компьютерах.