Сверхпроводники используют для создания устройств которые

Применение сверхпроводников

Особенные свойства сверхпроводников, которые используются в современных технологиях

Сверхпроводники имеют сопротивление около нуля, а значит, могут проводить ток без тепловых потерь, если они находятся при температурах ниже критических, в магнитных полях и токах ниже критических.

В том случае, если сверхпроводники находятся в магнитных полях ниже некоторого критического значения, то сверхпроводник является идеальным диамагнетиком (магнитное поле внутрь сверхпроводника не проникает).

Если сверхпроводник имеет форму кольца или цилиндра, то его магнитный момент изменяется дискретно (на квант магнитного потока).

Если частота тока ниже критической, то поверхностное сопротивление сверхпроводника в десятки и даже сотни раз меньше, чем у хороших проводников при той же температуре.

Применение сверхпроводников

Применение сверхпроводников весьма разнообразно. С их помощью можно получить большие токи, используя источник, который имеет небольшое напряжение. При этом практически отсутствуют потери на джоулево тепло, что позволяет использовать сверхпроводник в измерительных приборах. Так, чувствительность гальванометра, имеющего рамку из сверхпроводника, очень велика ($\sim <10>^<-12>B$).

В настоящее время из-за наличия сопротивления подводящих проводов потери электроэнергии составляют $30-40\%$. Если бы стало возможным передавать электроэнергию по сверхпроводящим проводам, то потери на джоулево тепло отсутствовали, что стало бы равносильно увеличению выработки электричества на треть. На основе сверхпроводников можно было бы изготавливать генераторы и электродвигатели с гораздо более высоким КПД, чем существующие сейчас.

Сильноточные технологии, которые предназначаются для устройств больших мощностей, применяются в электроэнергетике, промышленности и на транспорте. В этих отраслях сверхпроводниковые технологии ведут к созданию электрооборудования в $2-3$ раза меньшей массы, более экологичного, более надежного с большим сроком эксплуатации. Предполагается, что в электроэнергетике будет происходить постепенная замена традиционного резисторного оборудования на более дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, которое существенно выше по надежности и эффективности.

Способность сверхпроводника переходить в нормальное состояние из сверхпроводящего и обратно, под воздействием магнитного поля используют для усиления небольших постоянных токов и напряжений. В данном случае слабый постоянный сигнал подается на сверхпроводник, который находится в переменном магнитном поле. При этом напряженность магнитного поля такова, что состояния сверхпроводника чередуются: нормальное состояние — сверхпроводящее состояние. Так получают переменный ток с частотой равной частоте магнитного поля. Для создания резонаторов высокой добротности с небольшим затуханием для изготовления стенок резонатора применяют сверхпроводники, в которых происходит малое затухание.

Сверхпроводники используют для получения магнитных полей с большой индукцией. Для этого используют сверхпроводниковые сплавы с большой критической индуктивностью. Из них изготавливают проволоку для обмоток трансформаторов. В подобных обмотках создается ток высокой плотности, значит, электромагнит имеет магнитное поле большой силы. Индукция получаемых полей достигает 10Тл. В обычных обмотках из меди при магнитном поле 10 Тл выделяется огромное количество тепла, тогда как в сверхпроводниках мощность не рассеивается.

С помощью сверхпроводящих соленоидов создают сверхсильные магнитные поля, которые применяют для удержания плазмы при термоядерном синтезе. Магнитные поля большой индукции необходимы для работы транспортных средств на магнитной подушке.

Принцип разрушения магнитным полем сверхпроводящего состояния полагается в основу переключающих устройств (криотронов). Пленочные криотроны имеют очень небольшие размеры, короткий интервал переключения ($<10>^<-9>—<10>^<-10>c\ $).

Проблемы практического использования сверхпроводимости заключены в том, что необходимо работать в области очень низких температур. Отыскание сверхпроводящих материалов с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около комнатной, открыло бы большие возможности применения таких материалов в науке и технике.

Первые успехи в этом направлении были сделаны в 1986 г. Беднорцем и Мюллером, которые выяснили, что керамика $La-Ba-Cu-O$ становится сверхпроводником, при температуре $35 К$. За это открытие ученые были удостоены Нобелевской премии в области физики.

Изученные образцы представляли собой смесь нескольких фаз и имели поликристаллическую структуру. Большинство ученых работающих над созданием высокотемпературных сверхпроводников называют подобные материалы «керамикой».

Керамики в нормальном состоянии являются оксидами металлов. Их сложно получить в виде монокристаллов. Они в настоящее время изготавливаются в виде совокупности кристаллов (зерен) довольно слабо связанных друг с другом. В нормальном состоянии эти соединения имеют удельное сопротивление существенно большее, чем у металлов. У керамик удельное сопротивление растет с ростом температуры (при $T>T_k$). Все металлооксиды имеют слоистую структуру тетрагональной или ромбической симметрии. При переходе через температуру равную критической, кристаллическая структура высокотемпературный сверхпроводников не изменяется. Как в обычных сверхпроводниках в керамике найдена зависимость критической температуры от массы атомов, которые входят в структуру керамики (изотопический эффект). В высокотемпературных проводниках переход к состоянию с нулевым удельным сопротивлением происходит в более широком интервале температур, чем в обычных сверхпроводниках. В керамиках наблюдается эффект Мейсснера — Оксенфельда. Для них существует критическое магнитное поле. Эти материалы относят к сверхпроводникам второго рода. Глубина проникновения магнитного поля в керамиках существенно больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках.

Так в конце восьмидесятых годов были открыты сверхпроводники с температурой перехода около 240 К.

Второй проблемой, сдерживающей развитие сферы применения сверхпроводниковых материалов, служит наличие критического магнитного поля и критических токов. Ограничения по критическому полю и току особенно важны при проектировании и создании сильноточных приборов.

Задание: На сегодняшний день самым точным прибором для измерения магнитных полей служит сверхпроводниковый квантовый интерферометр, который используют в широком диапазоне областей от прогнозирования землетрясений до медицинской диагностики. Действие этого прибора основано на эффекте Джозефсона. Объясните принцип действия этого прибора.

Решение:

Выделяют стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Суть стационарного эффекта в том, что ток может течь через малый зазор между сверхпроводниками в отсутствии внешнего электрического поля. Это значит, что куперовские пары, которые переносят ток в сверхпроводнике, могут туннелировать из одного сверхпроводника в другой даже через слой диэлектрика. Туннельный ток проходит через зазор без падения напряжения, если его плотность не выше некоторой критической величины. Этот ток чувствителен к наличию магнитного поля.

В том случае, если плотность туннельного тока превышает критическое значение, то на контакте появляется разность потенциалов и при этом должен появиться высокочастотный переменный ток. Или постоянное напряжение прикладывают к сторонам зазора. Куперовские пары будут перемещаться через зазор в одном, а затем в противоположном направлении. Появляется переменный ток с частотой, зависящей от приложенного напряжения. Это нестационарный эффект Джозефсона. В этом эффекте постоянное электрическое поле может порождать переменный ток.

Изготавливается маленький контур из сверхпроводника с двумя зазорами, через которые осуществляются переходы Джозефсона. Через контур пропускают ток. Так получают прибор — квантовый интерферометр. Ток по цепи прибора может изменяться от 0 (это случай, когда токи, идущие по двум переходам, взаимно гасятся) до максимума (токи имеют одно направление и взаимно усиливаются) и это зависит от величины внешнего магнитного поля. В настоящее время используя сверхпроводниковый квантовый интерферометр, подключив датчики можно измерить электромагнитные сигналы, которые вырабатывает мозг человека.

Задание: Сверхпроводящие катушки с самоиндукциями $L_1\ \ и\ L_2$ включены в цепь рис.1. Гальванический элемент имеет ЭДС равную $\mathcal E$. Найдите токи в катушках. Коэффициентом взаимной индукции катушек пренебречь.

Решение:

За основу решения задачи примем закон Ома:

где $R$ — внешнее сопротивление, $r$ — сопротивление источника. До того как источник тока включен поток через сверхпроводящий контур ABCD равен нулю. Он сохранится и после выключения тока, то есть можно записать, что:

Вариант 14. Задания по ЕГЭ 2018. Русский язык

После того как вы поделитесь материалом внизу появится ссылка для скачивания.

Русский язык — еще материалы к урокам:

Предметы

• Алгебра
• Английский язык
• Биология
• География
• Геометрия
• ИЗО
• Информатика
• История
• Литература
• Математика
• Музыка
• МХК
• Начальная школа
• ОБЖ
• Обществознание
• Окружающий мир
• ОРКСЭ
• Педагогика
• Русский язык
• Технология
• Физика
• Физкультура
• Химия
• Экология

Цыбулько Вариант 14 ЕГЭ-2018-русский.

Тест + ответы к части 1 + информация о тексте части 2 КИМ из пособия `ЕГЭ 2018. Русский язык: типовые экзаменационные варианты: 36 вариантов` (под ред. И.П. Цыбулько) .. .

Просмотр содержимого документа
«Цыбулько Вариант 14 ЕГЭ-2018-русский.»

Вариант 14. Задания по ЕГЭ 2018. Русский язык. И.П. Цыбулько. 36 вариантов

Прочитайте текст и выполните задания 1 — 3

(1)Сверхпроводники используют для создания устройств, которые технически невозможно или экономически невыгодно изготавливать с применением традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия. (2) мощные магнитные системы для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующие ограничители тока, медицинские томографы, спектрометры высокого разрешения, образцы перспективной военной техники, поезда на магнитной подушке созданы с применением сверхпроводящих материалов. (3)Устройства, изготовленные с использованием сверхпроводящих материалов, характеризуются значительно меньшими размерами и массой.

1. Укажите два предложения, в которых верно передана ГЛАВНАЯ информация, содержащаяся в тексте. Запишите номера этих предложений.

1) Для создания таких устройств, которые невозможно или невыгодно изготавливать с использованием обычных проводников, применяют сверхпроводники, помогающие сделать эти устройства более компактными и лёгкими.

2) При создании мощных магнитных систем для установок термоядерного синтеза или ускорителей элементарных частиц, сверхбыстродействующих ограничителей тока, медицинских томографов, спектрометров высокого разрешения, образцов перспективной военной техники, поездов на магнитной подушке иногда используют сверхпроводящие металлы.

3) Для создания сооружений, которые нецелесообразно возводить с применением лишь традиционных проводниковых материалов — меди и алюминия, используют также сверхпроводники.

4) Сверхпроводники используют при создании устройств, изготовление которых из обычных проводников невозможно или экономически невыгодно, причём применение сверхпроводников делает устройства менее объёмными и менее тяжёлыми.

5) Для изготовления таких устройств, которые должны обладать небольшим объёмом и массой при разнообразии выполняемых ими функций, используют проводники.

2. Какое из приведённых ниже слов (сочетаний слов) должно стоять на месте пропуска во втором (2) предложении текста? Выпишите это слово (сочетание слов).

Наоборот, Несмотря на это, Например, Так как Тем не менее

3. Прочитайте фрагмент словарной статьи, в которой приводятся значения слова МАССА. Определите значение, в котором это слово употреблено в третьем (3) предложении текста. Выпишите цифру, соответствующую этому значению в приведённом фрагменте словарной статьи.

1) Совокупность чего-нибудь, а также что-нибудь большое, сосредоточенное в одном месте. Воздушные массы. Тёмная м. здания.

2) Одна из основных физических характеристик материи, определяющая её инертные и гравитационные свойства. Единица массы.

3) Тестообразное бесформенное вещество, густая смесь. Древесная м. (полуфабрикат для выделки бумаги). Расплавленная м. чугуна.

4) Множество, большое количество кого-чего-нибудь. У меня м. времени. Тратить массу сил.

5) мн. Широкие слои трудящегося населения. Воля масс. Оторваться от масс (утратить связь с народом).

4. В одном из приведённых ниже слов допущена ошибка в постановке ударения: НЕВЕРНО выделена буква, обозначающая ударный гласный звук. Выпишите это слово.

кремЕнь окружИт дОнизу Оптовый отбылА

5. В одном из приведённых ниже слов НЕВЕРНО употреблено выделенное слово. Исправьте лексическую ошибку, подобрав к выделенному слову пароним. Запишите подобранное слово.

Требуется принятие не ПОПУЛИСТСКИХ, а экономически оправданных решений.

Её ЦАРСТВЕННЫЙ вид внушал доверие и располагал к серьёзному разговору о будущей России.

Координационному совету необходимо было ИЗБРАТЬ председателя и утвердить новый состав исполкома.

Многоэтажный КАМЕННЫЙ дом был украшен лепниной.

Наши страны в течение долгих лет поддерживали ДРУЖНЫЕ отношения.

6. В одном из выделенных ниже слов допущена ошибка в образовании формы слова. Исправьте ошибку и запишите слово правильно.

в ТЫСЯЧА девятисотом году

прошли наиболее УСПЕШНО

7. Установите соответствие между грамматическими ошибками и предложениями, в которых они допущены: к каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца.

A) нарушение в построении предложения с причастным оборотом

Б) нарушение видо-временной соотнесённости глагольных форм

B) нарушение в построении предложения с деепричастным оборотом

Г) нарушение связи между подлежащим и сказуемым

Д) неправильное употребление имени числительного

1) Оказавшись под сильным влиянием лёгкого водевильного творчества, М. С. Щепкину вначале роль Фамусова давалась с трудом, но впоследствии стала лучшей в его обширном репертуаре.

2) Фруктоза — это природный аналог сахара, получаемая из ягод и фруктов.

3) Сразу по приезде в Казань мы посетили главную достопримечательность — Кремль.

4) Солдаты, выполнявшие долг перед Родиной, провели в степи без еды и воды четыре суток.

5) Стремясь передать в уличной сцене верное освещение, художник работал над созданием картины не при комнатном, а при солнечном свете и утверждает новую реалистическую манеру городского пейзажа.

6) Этот камерный зал, использующийся сейчас в учебных целях, до ноября 2007 года назывался Белым залом.

7) Все, кто побывал в Долине гейзеров, понимает, почему её считают одним из чудес света.

8) Художественная речь, которая отличается от официально-деловой и научной, по ряду признаков сближается с публицистической.

9) По признанию публики, премьера удалась, и те, кто смог побывать на спектакле, чувствовали себя свидетелями значительного события в мире культуры.

8. Определите слово, в котором пропущена безударная чередующаяся гласная корня. Выпишите это слово, вставив пропущенную букву.

ди..пазон напом..нание аргум..нтировать увл..кательный с..мметрия

9. Определите ряд, в котором в обоих словах в приставке пропущена одна и та же буква. Выпишите эти слова, вставив пропущенную букву.

не..добровать, ..жать (в кулак)

10. Выпишите слово, в котором на месте пропуска пишется буква Е.

11. Выпишите слово, в котором на месте пропуска пишется буква А.

12. Определите предложение, в котором НЕ со словом пишется СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите это слово.

Мы с приятелем встречались (НЕ)РЕДКО, а почти каждый день.

Избавляйтесь от привычки бросать дело, (НЕ)ДОВОДЯ его до конца.

Мы дошли до финала, но наша цель (НЕ)ДОСТИГНУТА.

(НЕ)ЗАВЕРШЁННАЯ игра перенесена на завтра и обязательно будет продолжена.

Река была далеко (НЕ)ШИРОКОЙ, всего около десяти метров.

13. Определите предложение, в котором оба выделенных слова пишутся СЛИТНО. Раскройте скобки и выпишите эти два слова.

ЧТО(БЫ) поправить здоровье, можно смело отправляться на Алтай, (ПО)ЭТОМУ скорее покупайте путёвку.

Одно и ТО(ЖЕ) слово может обозначать совершенно разные предметы, ПОТОМУ(ЧТО) существует явление омонимии.

СКОЛЬКО(БЫ) ни рассуждали критики, многие произведения искусства (НА)ВСЕГДА останутся загадкой для человечества.

Вам необходимо (ПО)ПРЕЖНЕМУ предоставлять отчёт (В)ВИДЕ презентации.

Можно (ПО)РАЗНОМУ объяснять смысл сна Раскольникова, но (ПО)НАЧАЛУ может показаться, что перед нами добрый и милосердный человек.

14. Укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) пишется НН.

Романтичность свойстве(1)а всему. Романтическая настрое(2)ость не позволяет человеку быть лживым, невежестве(3)ым, трусливым и жестоким. В романтике заключе(4)а облагораживающая сила.

15. Расставьте знаки препинания. Укажите два предложения, в которых нужно поставить ОДНУ запятую. Запишите номера этих предложений.

1) На вольном просторе блеск и движение грохот и гром.

2) Без матери не было бы ни тепла ни радости ни жизни.

3) Миновали столетия и под натиском варваров пала когда-то могучая и непобедимая Римская империя.

4) Человек велик и прекрасен и полон мечты.

5) Художники и скульпторы объединились и создали свою ассоциацию.

16. Расставьте все знаки препинания: укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) должна(-ы) стоять запятая(-ые).

Побывав во многих странах мира (1) Юрий Гагарин посетил (2) пострадавшую от атомной бомбы (3) Японию (4) радушно встретившую прославленного космонавта.

18. Расставьте все знаки препинания: укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) должна(-ы) стоять запятая(-ые).

Мы входим в зал.

Сияющие люстры (1)

От напряженья (2)

Кажется (3) дрожат!

И действует на чувства,

Мы входим в зал

Без всякого искусства,

А здесь искусством (4)

Видно (5) дорожат.

18. Расставьте все знаки препинания: укажите цифру(-ы), на месте которой(-ых) должна(-ы) стоять запятая(-ые).

Кирибеевичу (1) поступками которого (2) руководит эгоистическое чувство (3) противопоставлен Калашников (4) который живёт согласно принципам честности и порядочности.

19. Расставьте все знаки препинания: укажите все цифры, на месте которых должны стоять запятые.

Здесь всё было по-старому (1) и (2) если кому-то вдруг становилось грустно (3) то это лишь потому (4) что с этим местом у всех было связано много воспоминаний.

20. Отредактируйте предложение: исправьте лексическую ошибку, заменив неверно употреблённое слово. Запишите подобранное слово, соблюдая нормы современного русского литературного языка.

Число девятиклассников, желающих поехать на осенних каникулах в Михайловское, прогрессирует с каждым днём.

Прочитайте текс и выполните задания 21 — 26

(1)Встреча произошла неожиданно. (2)Два немца, мирно разговаривая, вышли на Плужникова из-за уцелевшей стены. (З)Карабины висели за плечами, но даже если бы они держали их в руках, Плужников и тогда успел бы выстрелить первым. (4)Он уже выработал в себе молниеносную реакцию, и только она до сих пор спасала его.

(5)А второго немца спасла случайность, которая могла стоить Плужникову жизни. (6)Его автомат выпустил короткую очередь, первый немец рухнул на кирпичи, а патрон перекосило при подаче. (7)Пока Плужников судорожно дёргал затвор, второй немец мог бы давно прикончить его или убежать, но вместо этого он упал на колени. (8)И покорно ждал, пока Плужников вышибет застрявший патрон.

— (9)Комм, — сказал Плужников, указав автоматом, куда следовало идти.

(10)Они перебежали через двор, пробрались в подземелья, и немец первым влез

в тускло освещённый каземат. (11)И здесь вдруг остановился, увидев девушку у длинного дощатого стола.

(12)Немец заговорил громким плачущим голосом, захлёбываясь и глотая слова. (13)Протягивая вперёд дрожавшие руки, показывая ладони то Мирре, то Плужникову.

— (14)Ничего не понимаю, — растерянно сказал Плужников. — (15)Тарахтит.

— (16)Рабочий он, — сообразила Мирра, — видишь, руки показывает?

— (17)Дела, — озадаченно протянул Плужников. — (18)Может, он наших пленных охраняет?

(19)Мирра перевела вопрос. (20)Немец слушал, часто кивая, и разразился длинной тирадой, как только она замолчала.

— (21)Пленных охраняют другие, — не очень уверенно переводила девушка. — (22)Им приказано охранять входы и выходы из крепости. (23)Они — караульная команда. (24)Он — настоящий немец, а крепость штурмовали австрияки из сорок пятой дивизии, земляки самого фюрера. (25)А он — рабочий, мобилизован в апреле.

(26)Немец опять что-то затараторил, замахал руками. (27)Потом вдруг торжественно погрозил пальцем Мирре и неторопливо, важно достал из кармана чёрный пакет, склеенный из автомобильной резины. (28)Вытащил из пакета четыре фотографии и положил на стол.

— (29)Дети, — вздохнула Мирра. — (30)Детишек своих кажет.

(31)Плужников поднялся, взял автомат:

(32)Немец, пошатываясь, постоял у стола и медленно пошёл к лазу.

(33)Они оба знали, что им предстоит. (34)Немец брёл, тяжело волоча ноги, трясущимися руками все обирая и обирая полы мятого мундира. (35)Спина его вдруг начала потеть, по мундиру поползло тёмное пятно.

(36)А Плужникову предстояло убить его. (37)Вывести наверх и в упор шарахнуть из автомата в эту вдруг вспотевшую сутулую спину. (38)Спину, которая прикрывала троих детей. (39)Конечно же, этот немец не хотел воевать, конечно же, не своей охотой забрёл он в эти страшные развалины, пропахшие дымом, копотью и человеческой гнилью. (40)Конечно, нет. (41)Плужников всё это понимал и, понимая, беспощадно гнал вперёд.

(44)Немец сделал шаг, ноги его подломились, и он упал на колени. (45)Плужников ткнул его дулом автомата, немец мягко перевалился на бок и, скорчившись, замер.

(46)Мирра стояла в подземелье, смотрела на уже невидимую в темноте дыру и с ужасом ждала выстрела. (47)А выстрелов всё не было и не было.

(48)В дыре зашуршало, и сверху спрыгнул Плужников и сразу почувствовал, что она стоит рядом.

— (49)3наешь, оказывается, я не могу выстрелить в человека.

(50)Прохладные руки нащупали его голову, притянули к себе. (51)Щекой он ощутил её щеку: она была мокрой от слёз.

— (52)Я боялась. (53)Боялась, что ты застрелишь этого старика. — (54)Она вдруг крепко обняла его, несколько раз торопливо поцеловала. — (55)Спасибо тебе, спасибо, спасибо. (56)Ты ведь для меня это сделал?

(57)Он хотел сказать, что действительно сделал это для неё, но не сказал, потому что он не застрелил этого немца всё-таки для себя. (58)Для своей совести, которая хотела остаться чистой. (59)Несмотря ни на что.

(По Б. Л. Васильеву)

21. Какие из высказываний не соответствуют содержанию текста? Укажите номера ответов.

1) При неожиданной встрече с немцами Плужникова от смерти спас застрявший у второго немца в затворе карабина патрон.

2) Немец, которого Плужников привёл в каземат, оказался мобилизованным на службу в апреле рабочим и отцом троих детей.

3) Хорошо понимавшая немецкую речь Мирра сообщила Плужникову, что пленённый им австриец служит в сорок пятой дивизии, штурмовавшей Брестскую крепость.

4) Немец носил в кармане фотографии своих детей.

5) Мирра тревожилась за Плужникова, который, застрелив пленного немца, подвергнет себя опасности.

22. Какие из перечисленных утверждений являются ошибочными? Укажите номера ответов.

1) В предложениях 6-8 представлено описание.

2) Предложения 22 и 23 противопоставлены по содержанию.

3) В предложениях 26-28 представлено повествование.

4) Предложения 34-35 содержат элементы описания.

5) Предложения 57-58 содержат рассуждение.

23. Из предложений 21-23 выпишите антонимы (антонимическую пару).

24. Среди предложений 36-41 найдите такое(-ие), которое(-ые) связано(-ы) с предыдущим при помощи лексического повтора. Напишите номер(-а) этого(-их) предложения(-ий).

25. «В отрывке из книги Б. Л. Васильева "В списках не значился" рассказывается о защитниках Брестской крепости, совсем ещё молодых, самых обычных людях. Создавая их образы, автор использует лексическое средство — (А)___ (предложение 15, "кажет" в предложении 30) и такую форму речи, как (Б)___ (предложения 14—18). Чувства немца, которого должен был убить Плужников, передают различные средства выразительности, в частности троп — (В)___("плачущим" в предложении 12); чувства Плужникова, так и не выстрелившего в немца, передаёт приём — (Г)___ (предложения 58—59)».

Что такое сверхпроводник?

Сверхпроводник — это материал, который обеспечивает сверхпроводимость, то есть состояние вещества, которое не имеет электрического сопротивления и не позволяет проникать магнитным полям. Электрический ток в сверхпроводнике может сохраняться неопределенно долго.

Сверхпроводимость обычно достигается только при очень низких температурах. Сверхпроводники имеют широкий спектр повседневных применений, от аппаратов МРТ до сверхбыстрых поездов на магнитном подвесе, которые используют магниты, чтобы левитировать над полотном пути с целью минимизировать трение. В настоящее время исследователи пытаются найти и разработать сверхпроводники, работающие при более высоких температурах, что произведет революцию в транспортировке и хранении энергии.

Коротко об этом рассказало издание LiveScience.

Кто открыл сверхпроводимость?

Заслуга открытия сверхпроводимости принадлежит голландскому физику Хайке Камерлинг-Оннес. В 1911 году Оннес изучал электрические свойства ртути в своей лаборатории в Лейденском университете в Нидерландах, когда он обнаружил, что электрическое сопротивление ртути полностью исчезло, когда он опустил температуру ниже 4,2 Кельвина (-268,95 ℃).

Чтобы подтвердить этот результат, Оннес приложил электрический ток к образцу переохлажденной ртути, затем отключил аккумулятор. Он обнаружил, что электрический ток сохраняется в ртути, не уменьшаясь, что подтверждает отсутствие электрического сопротивления и открывает двери для будущих применений сверхпроводимости.

История сверхпроводимости

Физики потратили десятилетия, пытаясь понять природу сверхпроводимости и ее причины. Они обнаружили, что многие элементы и материалы (но не все) становятся сверхпроводящими при охлаждении ниже определенной критической температуры.

В 1933 году физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд обнаружили, что сверхпроводники «вытесняют» любые близлежащие магнитные поля, а это означает, что слабые магнитные поля не могут проникнуть далеко внутрь сверхпроводника. Это явление называется эффектом Мейснера.

Только в 1950 году физики-теоретики Лев Ландау и Виталий Гинзбург опубликовали теорию работы сверхпроводников, согласно биографии Гинзбурга на сайте Нобелевской премии. Несмотря на успех в предсказании свойств сверхпроводников, их теория была «макроскопической», то есть фокусировалась на крупномасштабном поведении сверхпроводников, оставаясь в неведении о том, что происходит на микроскопическом уровне.

Наконец, в 1957 году физики Джон Бардин, Леон Н. Купер и Роберт Шриффер разработали полную микроскопическую теорию сверхпроводимости. Чтобы создать электрическое сопротивление, электроны в металле должны свободно двигаться. Но когда электроны внутри металла становятся невероятно холодными, они могут образовывать пары, не позволяя им подпрыгивать. Эти электронные пары, называемые куперовскими парами, очень стабильны при низких температурах, и при отсутствии электронов, «свободно» отскакивающих, электрическое сопротивление исчезает. Бардин, Купер и Шриффер соединили эти части, чтобы сформировать свою теорию, известную как теория BCS, которую они опубликовали в журнале Physical Review Letters.

Как работают сверхпроводники?

Когда температура металла опускается ниже критической, электроны в нем образуют связи, называемые куперовскими парами. Т.е. запертые таким образом электроны не могут обеспечить какое-либо электрическое сопротивление, а электричество может идеально проходить через металл.

Однако это работает только при низких температурах. Когда металл становится слишком горячим, электроны имеют достаточно энергии, чтобы разорвать связи куперовских пар и вернуться к сопротивлению. Вот почему Оннес в своих первоначальных экспериментах обнаружил, что ртуть ведет себя как сверхпроводник при 4,19 К, но не при 4,2 К.

Для чего используются сверхпроводники?

Наверняка вы неоднократно сталкивались со сверхпроводниками даже не осознавая этого. Для создания сильных магнитных полей, используемых в магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ядерной магнитно-резонансной томографии (ЯМРТ), в аппаратах используются мощные электромагниты. Эти мощные электромагниты плавили бы нормальные металлы из-за тепла, имей они даже минимальное сопротивление. Однако, поскольку сверхпроводники не имеют электрического сопротивления, тепло не генерируется, и электромагниты могут генерировать необходимые магнитные поля.

Подобные сверхпроводящие электромагниты также используются в поездах на магнитной подвеске, экспериментальных ядерных термоядерных реакторах и лабораториях ускорителей высокоэнергетических частиц. Сверхпроводники также используются для питания рельсотрона и койлганов, базовых станций сотовых телефонов, быстрых цифровых схем и детекторов частиц.

По сути, каждый раз, когда вам нужно действительно сильное магнитное поле или электрический ток, и вы не хотите, чтобы ваше оборудование расплавилось при включении, вам понадобится сверхпроводник.

«Одной из самых интересных областей применения сверхпроводников являются квантовые компьютеры», — сказал Алексей Безрядин, физик-физик из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн. Благодаря уникальным свойствам электрических токов в сверхпроводниках их можно использовать для создания квантовых компьютеров.

«Такие компьютеры состоят из квантовых битов или кубитов. Кубиты, в отличие от классических битов информации, могут существовать в квантовых суперпозиционных состояниях «0» и «1» одновременно. Сверхпроводящие устройства могут имитировать это», — сказал Безрядин Live Science . «Например, ток в сверхпроводящей петле может течь по часовой стрелке и против часовой стрелки одновременно. Такое состояние представляет собой пример сверхпроводящего кубита».

Что нового в исследованиях сверхпроводников?

Первой задачей сегодняшних исследователей является «разработка материалов, которые являются сверхпроводниками в условиях окружающей среды, потому что в настоящее время сверхпроводимость существует только при очень низких температурах или очень высоких давлениях», — сказал Мехмет Доган, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Следующая задача — разработать теорию, объясняющую, как работают новые сверхпроводники, и предсказывать свойства этих материалов», — сказал Доган Live Science в электронном письме.

Сверхпроводники делятся на две основные категории: низкотемпературные сверхпроводники (НТС), также известные как обычные сверхпроводники, и высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) или нетрадиционные сверхпроводники. LTS можно описать теорией BCS, чтобы объяснить, как электроны образуют куперовские пары, в то время как HTS используют другие микроскопические методы для достижения нулевого сопротивления. Истоки ВТСП — одна из основных нерешённых проблем современной физики.

Большинство исторических исследований сверхпроводимости проводилось в направлении LTS, потому что эти сверхпроводники намного легче обнаружить и изучить, и почти все приложения сверхпроводимости включают LTS.

HTS, напротив, представляют собой активную и захватывающую область современных исследований. Всё, что работает как сверхпроводник при температуре выше 70 К, обычно считается ВТСП. Несмотря на то, что это всё ещё довольно холодно, это приемлемая температура, её можно достичь путем охлаждения жидким азотом, который гораздо более распространен и доступен, чем жидкий гелий, необходимый для охлаждения до ещё более низких температур, необходимых для LTS.

Будущее сверхпроводников

«Святой Грааль» исследований сверхпроводников — это найти материал, который может действовать как сверхпроводник при комнатных температурах. На сегодняшний день самая высокая температура сверхпроводимости была достигнута при чрезвычайно высоком давлении углеродсодержащего гидрида серы, который достиг сверхпроводимости при 59 F (15 C), но для этого требовалось давление 267 гигапаскалей. Это давление эквивалентно внутреннему пространству планет-гигантов, таких как Юпитер, что делает его непрактичным для повседневного использования.

Сверхпроводники при комнатной температуре позволят осуществлять электрическую передачу энергии без потерь, более эффективные поезда на магнитной подвеске, а также более дешёвое и повсеместное использование технологии МРТ. Практическое применение сверхпроводников при комнатной температуре безгранично — физикам просто нужно выяснить, как сверхпроводники работают при комнатных температурах и каким может быть материал «Златовласки», допускающий сверхпроводимость.

Публикация относится к тематической подборке: «Просто о сложном»

Не всегда то, что сложно звучит — сложно в понимании. В этой подборке мы стараемся максимально простыми словами объяснить сложные, на первый взгляд, вещи.

Понравился сайт? Подпишьсь на нас в соцсетях!

Комментарий успешно отправлен. Он будет опубликован после проверки модератором.