Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng của nó

  • Số trang: 71 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 16 |
  • Lượt tải: 0
minhtuan

Đã đăng 15929 tài liệu

Mô tả:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN VÀ NHỮNG ỨNG DỤNG CỦA NÓ Luận văn tốt nghiệp Ngành: Sư Phạm Vật Lý – Công Nghệ Giáo viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: ThS. GVC Lê Văn Nhạn Võ Thị Ngọc Hiền Mã số SV: 1107609 Lớp: TL1092A1 Khóa: 36 Cần Thơ, năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài luận văn “Tìm hiểu về hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống” tôi đã gặp rất nhiều khó khăn nhưng với sự cố gắng của bản thân, sự chỉ bảo tận tình của quý thầy cô, sự đóng góp ý kiến chân thành của các bạn và sự động viên của gia đình, tôi đã hoàn thành tốt đề tài luận văn của mình. Vì vậy, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Thầy Lê Văn Nhạn đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn, đóng góp những ý kiến quý báu và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành đề tài luận văn của mình một cách tốt nhất. Quý thầy cô trong Bộ môn Sư phạm Vật lý, khoa Sư phạm, Trường Đại Học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức, kỹ năng để tôi hoàn thành luận văn này. Gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tinh thần trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài. Các bạn sinh viên lớp Sư phạm Vật lý – Công nghệ K36 đã đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng vẫn không tránh được những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn. Cuối lời, tôi kính chúc quý thầy cô, gia đình, các bạn lời chúc sức khỏe, thành công và hạnh phúc. Sinh viên thực hiện Võ Thị Ngọc Hiền DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, THUẬT NGỮ TC: nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. ∆T: độ rộng chuyển pha siêu dẫn. : cảm ứng từ. BT: mật độ từ thông riêng. Ir: độ từ hóa. HC1, HC2 và HC3: từ trường tới hạn ở các trạng thái khác nhau. Ha: từ trường ngoài. : hệ số từ hóa. : điện trường. : mật độ dòng. HC: từ trường tới hạn. IC: dòng tới hạn. JC: mật độ dòng tới hạn. : dòng truyền. : dòng chắn. Ja: mật độ dòng mặt. H: độ lớn từ trường. : độ từ thẩm của vật liệu. : độ dài kết hợp. : độ xuyên sâu London hay độ thấm sâu London. θD: nhiệt độ Debye. ∆S: hiệu entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường. : hàm sóng phụ thuộc tọa độ không gian . nồng độ (định xứ) của các điện tử siêu dẫn. ∆(0): khe năng lượng ở không độ tuyệt đối. ABB: Tập đoàn dẫn đầu về ngành công nghiệp năng lượng và công nghệ tự động hóa. Lý thuyết BCS: lý thuyết ra đời bởi Bardeen, Cooper và Schriffer. MỤC LỤC I. PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 1.1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 1 1.2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................. 2 1.3. Phương pháp nghiên cứu và phương tiện thực hiện đề tài ...................................... 2 II. PHẦN NỘI DUNG .................................................................................................... 3 Chương 1. HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN ......................................................................... 3 1.1. Khái niệm về hiện tượng siêu dẫn .......................................................................... 3 1.2. Điện trở không ....................................................................................................... 3 1.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha ................................................................. 4 Chương 2. CÁC VẬT LIỆU SIÊU DẪN ....................................................................... 5 2.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn......................................................... 5 2.2. Tính chất từ của chất siêu dẫn ................................................................................ 8 2.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng ................................................................. 8 2.2.2. Vật siêu dẫn không lí tưởng ............................................................................. 9 2.2.3. Hiệu ứng Meissner......................................................................................... 10 2.2.4. Từ trường tới hạn ........................................................................................... 12 2.2.5. Dòng tới hạn .................................................................................................. 13 2.2.6. Độ từ thẩm và hệ số từ hóa của chất siêu dẫn ................................................. 16 2.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ .................................................. 17 2.3. Tính chất nhiệt và các tính chất khác của chất siêu dẫn ........................................ 19 2.3.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn .......................................................... 19 2.3.2. Nhiệt dung của chất siêu dẫn ......................................................................... 20 2.3.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn ....................................................................... 22 2.3.4. Hiệu ứng đồng vị ........................................................................................... 22 2.3.6. Các tính chất khác của chất siêu dẫn .............................................................. 23 2.4. Phân biệt vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo ............................................ 23 Chương 3. CÁC LÝ THUYẾT LIÊN QUAN VỀ SIÊU DẪN.................................... 25 3.1. Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường ............................................. 25 i 3.2. Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn ...................................................... 25 3.3. Lý thuyết Ginzburg – Laudan .............................................................................. 26 3.3.1. Phương trình Ginzburg – Landau ................................................................... 26 3.3.2. Độ dài kết hợp   ......................................................................................... 27 3.4.Lý thuyết BCS ...................................................................................................... 27 3.4.1. Lý thuyết BCS ............................................................................................... 27 3.4.2. Cặp Cooper .................................................................................................... 28 Chương 4. CHẤT SIÊU DẪN NHIỆT ĐỘ CAO ........................................................ 30 4.1. Lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao .................................................. 30 4.2. Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao ...................................................... 32 4.3. Một số loại oxit siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình ................................................... 33 4.3.1. Oxit siêu dẫn.................................................................................................. 33 4.3.2. Siêu dẫn nhiệt độ cao chứa Cu và Oxy ........................................................... 34 4.3.3. Chất siêu dẫn MgB2 ....................................................................................... 35 4.4. Một số đặc tính chung của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. .................................... 36 4.4.1. Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái thường. [1] ...... 36 4.4.2. Đặc tính cơ bản chung của siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái siêu dẫn. [1] .... 36 Chương 5. ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN............................................... 38 5.1. Tàu chạy trên đệm từ ........................................................................................... 38 5.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) .................................................................... 41 5.3. Truyền tải năng lượng (Electric Power Tranmission) ........................................... 42 5.4. Siêu máy tính ....................................................................................................... 44 5.5. Ăngten mini (Miniature Antennas)....................................................................... 45 5.6. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn (Superconducting Manetic Energy Storage – SMES) ........................................................................................................................ 45 5.7. Các bệ phóng điện từ (Electrmagetic Launchers) ................................................. 47 5.8. Tách chiết từ ........................................................................................................ 47 5.9. Hệ thống từ thủy động lực (Magnetohydro Dynamic System, MHD) ................... 47 5.10. Biến thế siêu dẫn................................................................................................ 47 5.11. Máy phát điện siêu dẫn ...................................................................................... 48 ii 5.12. Thiết bị dò sóng milimet (Milimet waves delector) ............................................ 48 5.13. Lò phản ứng nhiệt hạch từ (Magnetic fusion reactors)........................................ 49 5.14. Ô tô điện (Electric Automobils) ......................................................................... 50 5.15. Máy gia tốc hạt (Particle Accelerators) .............................................................. 50 5.16. Các màn chắn từ ................................................................................................ 51 5.17. Thiết bị xử lí tín hiệu (Signal Processors)........................................................... 52 5.18. Thiết bị thu phát sóng viba ................................................................................. 53 5.19.Cảm biến đo từ thông ba chiều (Three Dimensinal Flux Sensors) ....................... 53 5.20. Máy phát sóng tần số Terahertz (THz) sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao .... 54 5.21. Thế chuẩn (Voltage Standard) ............................................................................ 57 Chương 6. PHÁT HIỆN MỚI VỀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN ................................. 59 6.1. Chất siêu dẫn trong răng người ............................................................................ 59 6.2. Chất siêu dẫn 1.5 ................................................................................................. 59 6.3. Hành xử theo cả hai kiểu...................................................................................... 60 6.4. Hỗn hợp tương tác ............................................................................................... 61 6.5. Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng ........................................................................ 61 6.6. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ ............................. 62 6.7. Tái tạo vũ trụ từ nam châm siêu dẫn to nhất thế giới ............................................ 63 III. PHẦN KẾT LUẬN ................................................................................................ 65 3.1. Kết quả đạt được .................................................................................................. 65 3.2. Kiến nghị ............................................................................................................. 65 3.3. Hướng phát triển của đề tài .................................................................................. 65 iii GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền I. PHẦN MỞ ĐẦU 1.1. Lý do chọn đề tài Chúng ta đã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại giảm cũng giảm đều.Tuy nhiên không phải đa số các vật liệu đều có tính chất này. Một đặc tính kỳ diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định (tùy theo từng chất) điện trở suất của vật liệu bằng không, độ dẫn điện trở nên vô cùng. Đó là hiện tượng siêu dẫn. Hiện tượng lý thú này được phát hiện lần đầu tiên ở thủy ngân cách đây hơn một thế kỷ (năm 1911) ở vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K). Sau này, tính chất siêu dẫn đã được tìm thấy ở hàng loạt kim loại, hợp kim và hợp chất. Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta còn phát hiện thấy với chất siêu dẫn từ trường bên trong nó luôn luôn bằng không và có hiện tượng xuyên ngầm lượng tử… Mãi hơn 40 năm sau, hiện tượng kỳ lạ của chất siêu dẫn đã được lý giải bằng lý thuyết vi mô. Theo đó, khác với các chất dẫn điện thông thường, ở trạng thái siêu dẫn, hiện tượng dẫn điện là do các cặp điện tử kết hợp với nhau và khi chuyển động tạo nên dòng điện, các cặp không bị mất mát năng lượng và điện trở suất bằng không. Với các đặc tính nêu trên, các chất siêu dẫn đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã được chế tạo. Ví dụ như thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán chính xác bệnh tật trong con người đã sử dụng cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn. Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện cách đây hơn 20 năm đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn. Để sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay -1960C) với giá thành hạ hơn hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường. Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn công nghệ cao, bởi vì chúng không có điện trở. Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy... mãi. Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn. Vì vậy, thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so với các chất khác hiện nay. Và điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng. Điều này đồng nghĩa với việc một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với hiện nay. Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh với việc phát minh ra điện. Các vật liệu siêu 1 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền dẫn sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội. Các vấn đề về hiện tượng siêu dẫn luôn là vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm. Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn không thể lý giải một cách chính xác hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt các hợp chất hầu như chỉ dựa trên đồng (Cu) và xảy ra như thế nào. Và mới đây, các nhà khoa học ở Nhật Bản đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn mới dựa trên sắt mà có thể cho phép các nhà vật lý những cách thức mới để có thể tìm hiểu một cách dễ dàng hơn về hiện tượng này – và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này. Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời sống những ứng dụng hết sức rộng rãi và to lớn. Ngày nay khoa học kĩ thuật đã và đang phát triển đòi hỏi các nhà khoa học phải vận dụng và khai thác tối đa các ứng dụng của chất siêu dẫn để phục vụ cho con người trong mọi lĩnh vực. Qua đó có thể thấy các ứng dụng của chất siêu dẫn không còn xa lạ gì với con người nữa. Hiện tượng siêu dẫn đã mang đến một sức hút kì lạ cho những ai biết đến và mong muốn khám phá nó bởi những ứng dụng hết sức rộng rãi và kì diệu. Và đó cũng là một trong những lí do để tôi quyết định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng của nó” với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng siêu dẫn. Hy vọng đề tài sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm về một hiện tượng siêu dẫn. [3] 1.2. Mục đích nghiên cứu Tìm hiểu về hiện tượng siêu dẫn, các vật liệu siêu dẫn và những tính chất của chúng. Tìm hiểu về các lí thuyết liên quan về siêu dẫn, chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Một số ứng dụng của vật liệu siêu dẫn và những phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn. 1.3. Phương pháp nghiên cứu và phương tiện thực hiện đề tài Do đề tài thuần túy là lý thuyết nên công việc chủ yếu là sưu tầm tài liệu ở thư viện trường, thư viện khoa, internet,… sắp xếp lại các tài liệu một cách hệ thống và khoa học. 1.4. Thời gian nghiên cứu Thời gian thực hiện đề tài từ 8/2014 đến 11/2014. 2 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền II. PHẦN NỘI DUNG Chương 1. 1.1. HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Khái niệm về hiện tượng siêu dẫn Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó. [1] Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. [3] 1.2. Điện trở không Về nguyên tắc, ở dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn xem như hoàn toàn biến mất. Vậy thực chất: trong trạng thái siêu dẫn, điện trở thành không hay là có giá trị rất nhỏ? [1] Trong một số trường hợp, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất dài. Giả thiết rằng tự cảm của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng i(0) chạy vòng quanh xuyến, sau khoảng thời gian t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức : (1.1) 3 [3] GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Ở đây R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện bao quanh xuyến. Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định được điện trở suất của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 Ωm. Giá trị này thỏa mãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0. [1] Một cách chứng minh khác, vào một ngày tháng 7 năm 1908, Onnes đã thực hiện thành công việc hóa lỏng heli tại phòng thí nghiệm ở Đại học Tổng hợp Leiden. Sau thành công ấy, Onnes đã quyết định nghiên cứu tính dẫn điện của các kim loại bằng cách đo điện trở của các kim loại ở nhiệt độ thấp. Trước đây, Dewar đã từng tiến hành đo điện trở của nhiệt kế platin và kết quả là sự giảm tuyến tính của điện trở này bị chậm và hình như bị dừng lại và còn một giá trị “còn dư” nào đó. Onnes đã lặp lại các thí nghiệm của Dewar và thay platin bằng các mẫu kim loại khác nhau nhưng vẫn nhận được kết quả tương tự. Sau đó, Onnes nhận thấy rằng mẫu kim loại càng nhiều tạp chất thì điện trở “còn dư” càng lớn. Ông quyết định làm lại thí nghiệm với mẫu kim loại sạch nhất, và cuối cùng ông đã chú ý đến thủy ngân. Thí nghiệm cho thấy ở khoảng nhiệt độ 4,2 K ± 0,02 K điện trở của thủy ngân giảm đột ngột bằng 0. Kết quả tuyệt vời này được ông công bố vào năm 1911, khi ông đã gần 60 tuổi. 1.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ Heli. Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sát được rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cỡ 234 K (-390C) là 39,7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 00C (cỡ 273 K) có giá trị là 172,7 Ω, tại gần 4 K có giá trị là 8.10-2 Ω và tại T ~ 3 K có giá nhỏ hơn 3.10-6 Ω. Như vậy có thể coi là ở nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xấp xỉ bằng không). Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là TC). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ∆T). Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ∆T = 5.10-2 K. Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. [1] 4 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Chương 2. 2.1. Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền CÁC VẬT LIỆU SIÊU DẪN Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn Câu chuyện của chúng ta về hiện tượng siêu dẫn – một trong những hiện tượng vật lí kì lạ nhất, lí thú nhất và có nhiều ứng dụng quan trọng nhất – được bắt đầu từ lịch sử tóm tắt công cuộc tìm kiếm nhiệt độ siêu thấp. Chính hiện tượng siêu dẫn đã được khám phá trên con đường tìm kiếm này. Nó bắt đầu từ ý đồ biến chất khí thành chất lỏng. [4] Năm 1911, nhà vật lí người Hà Lan K.Onnes đã khám phá ra hiện tượng siêu dẫn. Ông làm thí nghiệm với kim loại thủy ngân có độ sạch rất cao. Kết quả cho thấy, ở nhiệt độ 4,2 K (-268,80C) điện trở của cột thủy ngân không còn giảm từ từ mà giảm đột ngột về một giá trị gần như bằng không. Sau đó, năm 1914 người ta đã phát hiện ra rằng tính siêu dẫn bị phá hủy bởi từ trường. Cũng năm 1914, K.Onnes đã chế tạo ra được nam châm siêu dẫn. Đến năm 1930, hợp kim siêu dẫn được tìm ra. Hiệu ứng Meissner – Ochsenfeld rất quan trọng đã được công bố vào năm 1933: chất siêu dẫn khi làm lạnh trong từ trường dưới nhiệt độ chuyển pha thì các đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài. 5 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Năm 1957, lí thuyết BCS ra đời bởi Cooper, Bardeen, và Schriffer đã giải thích được hầu hết các tính chất của siêu dẫn, lí thuyết này đã nhận được giải thưởng Nobel. Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, các chất siêu dẫn tìm ra đều có nhiệt độ không vượt quá 24 K. Chất lỏng Heli vẫn là môi trường duy nhất nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Năm 1986, J.G. Bednorz và K.A Muller (Thụy Sỹ) đã tìm ra hiện tượng siêu dẫn có trong hợp chất gốm kim loại chứa đồng, bari, lantan và oxi có nhiệt độ tới hạn vượt quá 30 K. Với phát minh này J.G. Bednorz và K.A Muller đã được nhận giải thưởng Nobel vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hướng mới - đó là siêu dẫn nhiệt độ cao. Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một kỉ nguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn. [3] Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity). Đó là: 6 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ. Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga. Anthony J. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại University of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa Kỳ. [3] Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học của Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm qua. Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền. [3] Bảng 2.1: Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn Tên vật liệu Nhiệt độ chuyển pha Năm phát minh siêu dẫn (TC) [K] Hg 4,2 1911 Pb 7,2 1913 Nb 9,2 1930 Nb3Sn 18,1 1954 Nb3(Al0,75Ge0,25) 20-21 1966 Nb3Ga 30,3 1971 Nb3Ge 23,2-23,9 1973 BaPb1-xBixO3 13 1974 La1-xCaxMnO3-Ba-Cu-O 30-40 1986 Y(Re)-Ba-Cu-O 80-90 1987 Bi-Sr-Ca-Cu-O 110-120 1988 7 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Tl-Ba-Ca-Cu-O 115-125 1988 KxC60 18-30 1991 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90-161 1993 (NH3)4Na2CsC60 33 1994 Y-Pd-B-C 23 1994 Ln(Re)-Ni-B-C 13-17 1994 (Ca,Na)2CaCu2O4Cl2 49 1995 Ba-Ca-Cu-O 126 1996 Li2BeH4 2.2. 2.2.1. 1997 Bi-Ba-Ca-Cu-O 126-130 1997 (CuTl)Ba2Can-1O2n+4-y 121 1998 MgB 39 2000 Tính chất từ của chất siêu dẫn Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng Các chất khi đặt vào từ trường, chúng có xu hướng bị đẩy đi ra khỏi từ trường đến vị trí có cường độ từ trường nhỏ nhất, các chất này gọi là chất nghịch từ. Năm 1933, phát minh của hai nhà vật lý Đức Meissner và Ochsenfeld cho thấy khi hạ nhiệt độ một mẫu chất siêu dẫn trong từ trường thì vào thời điểm mẫu này chuyển sang trạng thái siêu dẫn, các đường sức từ lập tức bị đẩy ra khỏi mẫu. Khi mẫu đang ở trạng thái siêu dẫn mà gài từ trường vào thì các đường sức từ bị đẩy ra, không thể đi sâu vào mẫu. Chất siêu dẫn có tính chất như vậy được gọi là chất nghịch từ lí tưởng và hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner – Ochsenfeld. Như vậy, vật dẫn nếu chỉ có điện trở bằng 0 và không có hiệu ứng Meissner – Ochsenfeld thì chỉ là vật dẫn lí tưởng. Giả thiết rằng làm lạnh mẫu kim loại xuống dưới nhiệt độ chuyển pha của nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo. Điện trở vòng quanh đoạn đường khép kín tưởng tượng bên trong kim loại là 0. Do đó, tổng từ thông bao quanh vật là không đổi. Điều này chỉ đúng trong những trường hợp mật độ từ thông ở tất cả các điểm bên trong kim loại không thay đổi theo thời gian, ví dụ: (2.1) [1] Do đó, sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống như trước khi kim loại mất điện trở. [1] 8 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Giả thiết rằng mẫu bị mất điện trở khi không có từ trường ngoài tác dụng. Vì mật độ từ thông trong kim loại không thay đổi, cho nên nó phải là 0 thậm chí cả sau khi có từ trường đặt vào. Trong thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây ra dòng điện chạy quanh bề mặt mẫu và như vậy, tạo ra mật độ từ thông ở mọi nơi trong lòng mẫu, chính xác bằng và ngược chiều với mật độ từ thông của từ trường ngoài. Vì các dòng này không biến mất, nên mật độ từ thông mạng bên trong vật liệu vẫn duy trì là 0. Các dòng mặt I sinh ra mật độ bên trong kim loại. Các dòng mặt này thông thường được gọi là các dòng chắn. Mật độ từ thông tạo nên do những dòng mặt dư (persistent) không biến mất ở biên của mẫu, mà các đường từ thông tạo thành các đường cong khép kín liên tục vòng qua không gian bên ngoài mẫu, mặc dù mật độ từ thông này ở mọi nơi bên trong mẫu là bằng nhau và ngược với từ thông sinh ra do từ trường ngoài. Bây giờ hãy xem xét một trình tự khác cho việc làm lạnh trong từ trường đối với một vật liệu không có điện trở. Giả thiết rằng, từ trường Ba được đặt vào khi mẫu ở trên nhiệt độ chuyển pha. Sau đó mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ thấp sao cho điện trở của nó biến mất. Sự biến mất điện trở này không gây ảnh hưởng lên độ từ hóa và sự phân bố từ thông vẫn duy trì không đổi. Khi giảm từ trường về 0 thì mật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn lý tưởng không thể thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông bên trong nó. Ta thấy rằng trạng thái từ hóa của vật dẫn lý tưởng không xác định duy nhất bằng các điều kiện bên ngoài, mà nó phụ thuộc vào chuỗi các điều kiện tại vị trí đang tồn tại. [1] 2.2.2. Vật siêu dẫn không lí tưởng Các mẫu lý tưởng là các mẫu không chứa tạp chất hoặc không có những sai hỏng về tinh thể. Trong thực tế, nhiều mẫu không được hoàn hảo như vậy. Tuy nhiên, vẫn có khả năng chế tạo những mẫu gần như lý tưởng sao cho chúng biểu hiện các tính chất gần giống vật liệu lý tưởng. Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn rất sắc nét và đường cong từ hóa là hoàn toàn thuận nghịch. Có thể thấy rằng độ từ hóa là không thuận nghịch khi từ trường tăng và giảm, các đường cong từ hóa biểu hiện khác nhau. Ở đây xuất hiện hiện tượng từ trễ. Khi từ trường giảm đến 0 vẫn có thể còn sót lại một chút độ từ hóa dương của mẫu và nó làm tăng mật độ từ thông riêng BT và độ từ hóa Ir. Đó là hiện tượng từ thông bị hãm. Trong điều kiện này, siêu dẫn giống như nam châm vĩnh cửu. Như vậy mẫu không lý tưởng cho thấy: - Có ba từ trường tới hạn khác nhau (HC1, HC2 và HC3). - Có đường cong từ trễ. - Có từ thông bị hãm (bẫy). Các biểu hiện này không nhất thiết phải cùng xuất hiện. Ví dụ, mẫu có thể không có từ trường tới hạn sắc nét và có thể có tính từ trễ nhưng sẽ không bẫy các đường từ 9 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền thông. Các sai hỏng bao gồm một số lớn các nguyên tử như là các hạt của vật thể khác hoặc những mắt xích của các nguyên tử dịch chuyển như là những sai hỏng mạng, có khuynh hướng làm tăng tính từ trễ và bẫy từ thông. Các nguyên tử tạp chất và sự phân bố không đồng đều của thành phần của mẫu cũng làm giảm độ sắc nét của từ trường tới hạn trong các mẫu không lý tưởng. [1] 2.2.3. Hiệu ứng Meissner Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng: Nếu chất siêu dẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha TC, thì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn. Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngoài Ha còn cảm ứng từ bên trong mẫu . Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Meissner. Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Trong lòng nó các đường cảm ứng từ . Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng. Từ trường chỉ đâm xuyên vào mẫu siêu dẫn ở độ sâu cỡ trường bị đẩy ra khỏi mẫu. [4] Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ (CGS) sẽ là: (2.2) H  Ha  M  0 Hoặc trong hệ SI:  (2.3) M  1 Ha 10 và cơ bản từ GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền (a)(b): Mẫu mất điện trở khi không có từ trường ngoài tác dụng. (c): Từ trường đặt vào mẫu khi mẫu không điện trở. (d): Từ trường bị khử bỏ. (e)(f): Mẫu bị mất điện trở khi có từ trường tác dụng. (g): Từ trường bị khử bỏ. Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số từ hóa đã nói lên siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng. Mặt khác, đặc trưng cơ bản của chất siêu dẫn về tính chất điện là điện trở không (ρ = 0). Xuất phát từ phương trình cơ bản của điện động lực học thì định luật Ohm được biểu diễn trong điện trường theo mật độ dòng và điện trở suất 11 là: GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền (2.4) Trong trạng thái siêu dẫn , nên: (2.5) Theo phương trình Maxwell: (2.6) Và có: (2.7) Như vậy, các đường cảm ứng từ Khi thì phải là một hằng số. Nghĩa là, ngay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống dưới nhiệt độ TC thì phương trình vẫn đúng. Hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ trong lòng chất siêu dẫn bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát được. Về phương diện lí thuyết xét ở đây, chấp nhận theo thực nghiệm. Từ các dẫn chứng trên đây đã đưa đến kết luận là: Trạng thái siêu dẫn có điện trở không và hiệu ứng Meissner biểu hiện rằng, chất siêu dẫn là một nghịch lý từ lý tưởng (χ= -1). Hai tính chất độc lập này có đặc trưng cơ bản riêng biệt nhưng cả hai đều đồng thời là tiêu chuẩn quan trọng để xem xét một chất có phải là siêu dẫn hay không. [1] 2.2.4. Từ trường tới hạn Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị (HC) xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường (HC) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. Từ trường tới hạn HC là hàm của nhiệt độ T và được mô tả gần đúng: (2.8) Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì HC (TC) = 0. 12 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Đường cong HC phụ thuộc T được mô tả như trong hình 2.2 được gọi là đường cong ngưỡng. Đây là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường. Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đường cong ngưỡng là trạng thái thường. 2.2.5. Dòng tới hạn Dòng cực đại đạt được trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn (IC). Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: Nếu trong dây siêu dẫn có một dòng I lớn hơn dòng tới hạn IC chạy qua thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ. Đó là hiệu ứng dòng tới hạn. Ba năm sau (1916) Silsbee mới giải thích và làm sáng tỏ hiện tượng này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng dòng tới hạn không phải do bản thân dòng I lớn gây ra mà chính từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn phá vỡ trạng thái siêu dẫn. Điều này có bản chất giống hệt như hiệu ứng Meissner. [3] 13 GVHD: ThS.Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp SVTH: Võ Thị Ngọc Hiền Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > IC thì mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và các đại lượng I và a sẽ là: (Công thức Silsbee) (2.9) Công thức Silsbee chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (chất siêu dẫn lý tưởng). Ngoài khái niệm dòng tới hạn (IC), người ta còn dùng khái niệm mật độ dòng tới hạn (JC). Đó là giá trị dòng tới hạn IC trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn. Đơn vị thường dùng cho đại lượng này là A/cm2, giá trị JC phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây siêu dẫn. Thực nghiệm cho thấy, dòng tới hạn có liên quan đến độ lớn từ trường tới hạn HC. Các dòng trong chất siêu dẫn đều chạy trên bề mặt trong đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ một vài giá trị nhỏ Ja ở bề mặt. Trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ 14
- Xem thêm -