Повторение 8 кл
Определения и формулы по Физике за 8 класс (pdf)
Тепловые явления
Повторите теорию:
Выполните упражнения:
- Пазл по тепловым явлениям https://learningapps.org/895891
- Тепловые явления. Формулы https://learningapps.org/2783222
- Виды теплопередачи https://learningapps.org/1663846
Электрические явления
Магнитные явления
Дополнительный материал
1. Применение электромагнитов.
Где применяются электромагниты? (для ответа нужно использовать интернет)
- подъемные краны,
- замки и запирающие устройства,
- звонки,
- такамак (термоядерные реакторы) (знакомились на прошлом уроке)
- медицинские томографы со сверхпроводящими магнитами (новый термин!!!),
- поезд на магнитной подушке (маглев) В поездах на магнитной подвеске (маглевах) электромагниты отвечают за три главные функции: левитацию (подъем), тягу (движение) и стабилизацию.
- Электромагнитная подвеска (EMS — Electromagnetic Suspension) В этой системе используются электромагниты притяжения. Электромагниты, расположенные на днище поезда (в виде буквы «С»), притягиваются снизу к стальному направляющему рельсу, заставляя состав парить над путями. Особенность: Требует сложной электронной системы, которая ежесекундно измеряет зазор (обычно около 15 мм) и регулирует ток в магнитах для предотвращения падения или удара о рельс. Где используется: Немецкий Transrapid, пекинская линия метро S1.
- Электродинамическая подвеска (EDS — Electrodynamic Suspension) В этой системе используются сверхпроводящие электромагниты (СПМ). На поезде установлены сверхпроводящие магниты, охлаждаемые жидким гелием или азотом. При движении поезда эти мощные магниты индуцируют вихревые токи в путевых катушках, создавая силу отталкивания, которая поднимает состав. Обладает «пассивной» стабильностью: чем выше скорость, тем сильнее магнитное поле и стабильнее левитация. Однако для подъема на низких скоростях нужны дополнительные колесные шасси. Где используется: Японские поезда SCMaglev (рекорд скорости — 603 км/ч).
- Линейные двигатели (Синхронные и асинхронные) Это особый вид тяговых электромагнитов, которые заменяют классический двигатель. Путевое полотно оснащается статорными обмотками, которые питаются переменным током, создавая бегущее магнитное поле. Это поле взаимодействует с магнитами на поезде, толкая его вперед (по принципу ротора линейного двигателя). Где используется: На всех современных высокоскоростных маглевах.
- Примечание: В некоторых перспективных разработках магнитных дорог (например, технология Inductrack) вместо обычных электромагнитов применяются мощные постоянные магниты из сплавов неодима, не требующие затрат электричества на создание базового поля.
Какой термин вы встретили? Соверхпроводимость.
Давайте познакомимся с этим физическим явлением.
2. Сверхпроводимость
Сверхпроводимость — это квантовое состояние материалов, при котором их электрическое сопротивление строго падает до нуля. Оно возникает при охлаждении ниже критической температуры T и сопровождается эффектом Мейснера — полным вытеснением внешнего магнитного поля из объема вещества.
Ключевые свойства
- Нулевое сопротивление: Ток, запущенный в сверхпроводящем кольце, может циркулировать годами без потери энергии.
- Эффект Мейснера: Сверхпроводники выталкивают магнитное поле, что позволяет им левитировать над магнитом, обеспечивая идеальную магнитную подвеску.
- Критический ток и поле: Сверхпроводящее состояние разрушается, если температура, магнитное поле или сила проходящего тока превышают определенные пороговые значения (критические параметры).
Типы материалов
- Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП): Открыты первыми (например, ртуть, свинец, ниобий). Для перехода требуют экстремально низких температур — обычно в диапазоне от единиц до десятков Кельвинов. Как правило, охлаждаются жидким гелием 4,2 К.
- Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП): Способны переходить в сверхпроводящее состояние при температурах выше температуры кипения жидкого азота -196 C или 77 К. Чаще всего это сложные оксиды меди (купраты) или соединения на основе железа, а также гидриды металлов (работающие под высоким давлением). Их охлаждение обходится значительно дешевле.
Источники информации:
- Сверхпроводимость https://ru.wikipedia.org/wiki/
- Сверхпроводимость. Леннаучфильм 1978г. https://rutube.ru/video/d0e1ee45b8a61c719d25b1df56fe92c8/?r=wd
- Сверпроводимость https://rutube.ru/video/836dcd188936bc0b1fa80cc5285e8f37/?r=wd
- Квантовая левитация и сверхпроводник (реклама набора) https://rutube.ru/video/d756a55109bb4a4fb945e764ec43cdea/?r=wd&t=74
- Сверхпроводимость: открытие и краткая история / Электро-шот https://rutube.ru/video/49e1c73bd47e227978370e38f4d673e1/?r=wd
3. Где же применяется сверхпроводимость? (давайте вспомним видеоролики)
Физические свойства сверхпроводников применяются в самых передовых областях науки и техники:
- Медицина: Создание мощных сверхпроводящих магнитов для аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ).
- Наука и физика высоких энергий:
- Магнитные системы для удержания плазмы в термоядерных реакторах (токамаках)
- Ускорители заряженных частиц, такие как Большой адронный коллайдер.
- Квантовый компьютер.
- Электроэнергетика и транспорт:
- Магнитные подвески для поездов на магнитной подушке (маглевы),
- создание сверхмощных и компактных трансформаторов, генераторов и кабелей электропередач без потерь.
Маглевы со сверхпроводящими магнитами
Поезда на магнитной подушке (маглевы), использующие сверхпроводящие магниты, представляют собой вершину современных технологий наземного транспорта. Использование сверхпроводимости позволяет им преодолевать барьер скорости в 600 км/ч за счет полного отсутствия трения о рельсы и использования мощных электромагнитных полей. [1, 2]
Основные проекты и рекорды
На сегодняшний день лидерами в разработке таких систем являются Япония и Китай:
• Японский SCMaglev (L0 Series):
Рекорд скорости: 603 км/ч, установленный в 2015 году.
Технология: Использует электродинамическую подвеску (EDS) со сверхпроводящими магнитами, охлаждаемыми жидким гелием.
Статус: Строится линия Тюо-синкансэн между Токио и Нагоей, запуск которой ожидается в 2030-х годах. JR-Maglev
• Китайский CRRC 600:
Проектная скорость: 600 км/ч.
Технология: Основан на системе высокотемпературной сверхпроводимости (HTS), что делает систему охлаждения более простой и эффективной по сравнению с японской.
Статус: Полноразмерный прототип был представлен в Циндао в 2021 году, проводятся испытания.
• Вакуумные поезда (T-Flight): Китай также тестирует маглевы в условиях низкого вакуума, которые уже превысили скорость 623 км/ч и теоретически могут разгоняться до тысяч километров в час. [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
Преимущества сверхпроводящих маглевов
• Минимальное сопротивление: Единственной преградой для скорости остается сопротивление воздуха, которое минимизируется за счет аэродинамической формы.
• Энергоэффективность: Потребляют на 30% меньше энергии, чем традиционные высокоскоростные поезда, и в 2-3 раза меньше, чем самолеты на аналогичных расстояниях.
• Экологичность: Нулевой уровень прямых выбросов и значительно более низкий уровень шума.
• Комфорт: Благодаря магнитному демпфированию поездка проходит плавнее, чем полет в самолете.
Ключевые технические характеристики (на примере прототипа CRRC):
• Зазор левитации: Около 100 мм.
• Система безопасности: Самостабилизирующаяся подвеска, исключающая сход с пути.
• Резервное питание: Сверхпроводящие магниты могут поддерживать левитацию более 1 часа даже при сбое электроснабжения.
Передача электроэнергии
Использование сверхпроводников для передачи электроэнергии позволяет транспортировать огромные мощности практически без потерь нагревом. Это достигается за счет нулевого электрического сопротивления. Такие технологии кардинально меняют подход к энергоснабжению.
Ключевые преимущества
• Нулевые потери сопротивления: Электроток идет без выделения тепла в окружающую среду, что экономит значительную часть вырабатываемой энергии.
• Компактность: Сверхпроводящие кабели способны передавать в 5–10 раз больше мощности при том же сечении провода, если сравнивать с обычными медными или алюминиевыми линиями.
• Повышенная экологичность: Из-за очень малого внешнего магнитного поля и отсутствия нагрева почвы, такие кабели идеальны для прокладки под землей в густонаселенных городах.
Технические детали
Для создания таких линий применяются так называемые высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), которые переходят в сверхпроводящее состояние при температурах жидкого азота (около \(-196^{\circ }C\)). Это гораздо практичнее в эксплуатации, чем устаревшие низкотемпературные материалы, требующие более дорогого жидкого гелия. [1, 2]
Ознакомиться с тем, как это работает на практике, можно на примере внедрения ВТСП-кабелей отечественными энергокомпаниями, например, в обзорах, представленных Техническим порталом TechInsider.
Текущие ограничения
Несмотря на колоссальный потенциал, массовое внедрение сдерживается рядом факторов:
1. Стоимость материалов: Производство сверхпроводниковых кабелей и сложной криогенной изоляции остается дорогим.
2. Затраты на охлаждение: Для поддержания глубокого холода насосы и охладительные системы постоянно потребляют электроэнергию, что снижает общий экономический эффект для небольших расстояний.
3. Ограничения по току: При превышении определенного значения тока (критического) материал возвращается в обычное состояние, что требует установки защитных систем. [1, 2, 3]
Научные материалы и детальные исследования по внедрению таких линий доступны на страницах Аналитического портала Energyland.
Квантовый компьютер
В этом году в России был создан самый мощный отечественный квантовый
компьютер с общим количеством кубитов 50. Его разработкой ученые занимались в
рамках дорожной карты развития высокотехнологичной отрасли «Квантовые
вычисления», которую координирует госкорпорация «Росатом». Благодаря
паритетному финансированию государства и госкорпорации в России
разрабатываются квантовые компьютеры на всех четырех платформах, которые
считаются в мире приоритетными: на ионах, сверхпроводниках, нейтральных атомах
и фотонах. Подобными разработками обладают только три страны мира ‒ Россия,
Китай и США.
В основе как квантового, так и классического компьютеров лежит квантовая
физика. Главным элементом современных процессоров является транзистор, принцип
работы которого корректно объясняется именно с точки зрения квантовой механики.
Однако фундаментальное отличие квантовых вычислений от классических
заключается в принципиально ином устройстве логики обработки и представлении
информации. Именно поэтому невозможно напрямую использовать классические
алгоритмы на квантовом компьютере и параллельно с созданием квантового
компьютера необходимо также разрабатывать алгоритмы для них.
Что такое кубит?
Основным логическим объектом классического вычислительного устройства
является бит ‒ физическая система, находящаяся в состоянии 0 или 1, над которой
можно проводить логические операции. В квантовом компьютере единицей
информации служит квантовый бит, или кубит. Он может находиться в состояниях 0
и 1, а также с некоторой вероятностью одновременно в обоих состояниях, что
называется суперпозицией. Кроме того, квантовые системы могут находиться в
запутанном состоянии, то есть состояние одного кубита будет зависеть от состояния
другого. Именно явления суперпозиции и запутанности создают уникальные
возможности для вычислений.
На практике кубит можно реализовать с использованием различных
физических эффектов, и одной из самых успешных платформ для квантовых
вычислений сегодня является сверхпроводниковая.
Идея создания кубита с помощью сверхпроводников заключается в следующем:
мы можем взять обычный электрический колебательный контур, состоящий из
емкости и индуктивности, знакомый каждому со школьной скамьи. Если уменьшить
такой контур до размеров порядка нескольких десятков микрометров и охладить его
до сверхнизких температур, он приобретает квантовые свойства. Это означает, что
система может находиться только в строго определенных равноудаленных
энергетических состояниях. Для наглядности можно привести аналогию:
представьте, что вы поднимаетесь по пологому склону и можете остановиться на
любом уровне. В отличие от этого при подъеме по лестнице вы можете наступать
только на определенные, заранее сделанные строителем ступеньки. Так же и
квантовая система может находиться только на определенных энергетических
уровнях.
Теперь необходимо научиться управлять этой системой. Мы можем подавать
на колебательный контур электрические импульсы, несущие энергию, необходимую
для перехода между состояниями (перескока между ступеньками). Однако, поскольку
расстояния между соседними уровнями в нашей системе одинаковы, возникает
неоднозначность: например, один и тот же импульс может вызвать переход с первого
уровня как на нулевой, так и на второй, что нежелательно.
В этой, на первый взгляд, безвыходной ситуации на помощь приходит эффект
Джозефсона. Чтобы понять его суть, нужно представить себе систему из двух
металлических проводов, между которыми находится диэлектрик. Из-за разрыва в
цепи через такую систему электрический ток не потечет. Однако если использовать
сверхпроводящие металлы и очень тонкий слой диэлектрика в несколько нанометров,
то при очень низких температурах через такое соединение начнет протекать
электрический ток.
Этот физический эффект назван в честь британского физика и нобелевского
лауреата Брайана Джозефсона, а контакт «сверхпроводник ‒ диэлектрик ‒
сверхпроводник» называется джозефсоновским. Особенность такого контакта
заключается в его нелинейных свойствах, что позволяет изменять потенциал системы
и, следовательно, делать расстояния между уровнями квантовой системы
различными. Теперь, посылая в систему сигнал, соответствующий разнице энергий
выбранных состояний, мы можем возбуждать переход между нужным нам уровнями.
Джозефсоновский переход часто называют сердцем сверхпроводниковых
кубитов, а сами кубиты ‒ искусственными атомами. Изменяя конфигурацию и
параметры электрического колебательного контура, можно значительно
модифицировать энергетический спектр системы, что позволяет управлять ее
свойствами.
Этот комментарий был удален администратором блога.
ОтветитьУдалить