Ответьте на вопросы, страница 181 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему сверхпроводники не получили широкого применения?

2. Почему сопротивление проводников при увеличении температуры возрастает?

3. Почему формула зависимости сопротивления проводника от температуры и формула зависимости удельного сопротивления проводника от температуры имеют одинаковый вид?

4. Почему исследование высокотемпературных сверхпроводников привлекает внимание ученых?

1. Почему сверхпроводники не получили широкого применения?

Сверхпроводники не получили широкого применения в основном из-за технологических и экономических трудностей, связанных с их использованием. Явление сверхпроводимости, то есть полного исчезновения электрического сопротивления, наблюдается у большинства материалов только при очень низких, криогенных температурах, близких к абсолютному нулю ($-273.15$ °C).

Для достижения и поддержания таких температур требуются сложные и дорогостоящие системы охлаждения, использующие сжиженные газы, такие как жидкий гелий. Стоимость эксплуатации подобных систем, а также хрупкость и сложность в обработке многих сверхпроводящих материалов делают их применение экономически нецелесообразным для большинства бытовых и промышленных задач. Хотя существуют так называемые высокотемпературные сверхпроводники, работающие при температурах выше точки кипения жидкого азота ($-196$ °C), что значительно дешевле, их практическое внедрение всё ещё ограничено рядом технических проблем.

Ответ: Основной причиной, ограничивающей широкое применение сверхпроводников, является необходимость их охлаждения до сверхнизких температур, что является технологически сложным и дорогостоящим процессом.

2. Почему сопротивление проводников при увеличении температуры возрастает?

Электрическое сопротивление в металлических проводниках возникает из-за рассеяния свободных электронов (носителей заряда) на дефектах кристаллической решётки и на её тепловых колебаниях. При увеличении температуры проводника возрастает внутренняя энергия его кристаллической решётки. Это приводит к тому, что ионы, находящиеся в узлах решётки, начинают колебаться с большей амплитудой и частотой.

В результате этих более интенсивных колебаний увеличивается вероятность столкновения движущихся электронов с ионами решётки. Каждое такое столкновение изменяет направление движения электрона, замедляя его упорядоченное движение под действием электрического поля. Увеличение числа столкновений означает большее противодействие току, что макроскопически проявляется как увеличение электрического сопротивления проводника.

Ответ: При увеличении температуры ионы в узлах кристаллической решётки проводника начинают колебаться интенсивнее, что приводит к более частым столкновениям с ними свободных электронов и, как следствие, к росту сопротивления.

3. Почему формула зависимости сопротивления проводника от температуры и формула зависимости удельного сопротивления проводника от температуры имеют одинаковый вид?

Формулы зависимости сопротивления и удельного сопротивления от температуры имеют одинаковый вид, потому что сопротивление проводника прямо пропорционально его удельному сопротивлению, а геометрические размеры проводника (длина и площадь поперечного сечения) в данном контексте считаются постоянными.

Сопротивление проводника $R$ связано с его удельным сопротивлением $\rho$, длиной $l$ и площадью поперечного сечения $S$ формулой: $R = \rho \frac{l}{S}$.

Удельное сопротивление $\rho$ является внутренней характеристикой материала и зависит от температуры. Для не очень больших изменений температуры эта зависимость приблизительно линейна: $\rho = \rho_0 (1 + \alpha (T - T_0))$, где $\rho_0$ — удельное сопротивление при начальной температуре $T_0$, а $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления.

Подставим это выражение в формулу для сопротивления $R$: $R = \rho_0 (1 + \alpha (T - T_0)) \frac{l}{S}$.

Сгруппировав члены, получим: $R = (\rho_0 \frac{l}{S}) (1 + \alpha (T - T_0))$.

Так как сопротивление при начальной температуре $R_0 = \rho_0 \frac{l}{S}$, то мы приходим к формуле для сопротивления, имеющей аналогичный вид: $R = R_0 (1 + \alpha (T - T_0))$.

Таким образом, одинаковый вид формул обусловлен прямой пропорциональностью между сопротивлением и удельным сопротивлением.

Ответ: Вид формул одинаков, так как сопротивление проводника ($R$) прямо пропорционально удельному сопротивлению материала ($\rho$), а геометрические размеры, от которых также зависит $R$, при изменении температуры считаются неизменными. Температурная зависимость сопротивления полностью определяется температурной зависимостью удельного сопротивления.

4. Почему исследование высокотемпературных сверхпроводников привлекает внимание ученых?

Исследование высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) привлекает огромное внимание учёных по двум основным причинам: фундаментальной научной значимости и колоссальному технологическому потенциалу.

1. Технологический потенциал: "Высокотемпературными" называют сверхпроводники, которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше $77$ К ($-196$ °C), то есть выше температуры кипения жидкого азота. Жидкий азот значительно дешевле и доступнее жидкого гелия, который необходим для охлаждения традиционных сверхпроводников. Это кардинально снижает затраты и упрощает технологию охлаждения, открывая путь для массового применения сверхпроводимости в таких областях, как:

• Передача электроэнергии без потерь.

• Создание мощных и компактных магнитов для поездов на магнитной левитации (маглев), медицинских томографов (МРТ), термоядерных реакторов (токамаков) и ускорителей частиц.

• Разработка сверхбыстрой электроники и квантовых компьютеров.

Поиск материала, являющегося сверхпроводником при комнатной температуре, является одной из важнейших задач современной физики, так как его открытие произведёт технологическую революцию.

2. Фундаментальная наука: Механизм, лежащий в основе высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не до конца понят и отличается от классической теории БКШ (Бардина-Купера-Шриффера), которая успешно объясняет "низкотемпературную" сверхпроводимость. Изучение ВТСП заставляет пересматривать фундаментальные представления о поведении электронов в твёрдых телах и стимулирует развитие новых теоретических моделей в физике конденсированного состояния.

Ответ: Исследование ВТСП привлекает учёных из-за огромных технологических перспектив, связанных с возможностью использования дешёвого жидкого азота для охлаждения, и из-за фундаментальной научной загадки — механизм высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не объяснён полностью.