hiên tượng siêu dẫn

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "hiên tượng siêu dẫn": http://123doc.vn/document/574299-hien-tuong-sieu-dan.htm

5
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 gần 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.
Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán
chính xác bệnh tật trong con người không thể không sử dụng cuộn dây tạo từ trường
bằng dây siêu dẫn.
6
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
-196
ο
C) 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 vơi việc phát minh ra
điện. Các vật liệu siêu 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.
7
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 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 nhóm quyết định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn và những
ứng dụng trong khoa học và đời sống” 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.
Nhóm sinh viên thực hiện.
8
I. Hiện tượng siêu dẫn
I.1. Khái niệm 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.
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.
I.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 ?
Tất nhiên, không thể chứng minh được bằng thực nghiệm rằng điện trở trong
thực tế là 0; bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ
nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được. Trong trường hợp nhạy hơn,
cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng
0
20
40
60
80
0 20 40 60
T (K)
R (
Ω
)
Hình 1.1
Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt
độ thấp
9
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, ở thời gian muộn hơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo
công thức :
i(t) = i(0)e

R
t
L
 
−
 ÷
 
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 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.
I.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 234K (- 39
0
C ) là 39, 7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 0
0
(cỡ
273 K) có giá trị là 172,7Ω , tại gần 4K có giá trị là 8.10
-2
Ω và tại T ~ 3K 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 xắp xỉ bằng không).
Ở nhiệt độ xác định (T
C
) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất
đó có thể cho phép dòng điên 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 T
C
). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển
10
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.
II. Các vật liệu siêu dẫn
II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn
Cách đây gần một thế kỷ siêu dẫn còn chưa ai biết tới thì giờ đây lại đang là
một vấn đề rất nóng đối với các nhà vật lý hiện đại.
Năm 1908 Kamerlingh Onnes đã đặt
bước tiến đầu tiên trong việc ra siêu dẫn khi
ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli
tại truwòng đại học tổng hợp quốc gia
Leiden, Hà LaNăm 1911 cũng chính
Kamerligh đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn
của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi
diện trở một cách đột ngột của mẫu kim
loại này ở 4.2 K.
Ba năm sau chính ông là người đầu
tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm
1914 phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá
vỡ tính chất siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dân đầu tiên được tìm ra.
Hình 2.1
Đường cong siêu
dẫn theo
nhiệt độ của thủy
ngân
11
Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị dẩy
ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này được
đặt tên là hiệu ứng Meissner.
Năm 1957 lý thuyết BCS ra đời bởi Cooper, Bardeen,và Schriffer đã giải thích
hầu hết các tính chất cơ bản của siêu dẫn lúc bấy giờ, và lý thuyết này đã đạt được
giải thưởng Nobel.
John Bardeen, Leon Cooper,and John Schrieffer
Walter Meissner & Robert ochsenfeld
12
Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm trước
1985 đều không vượt quá 24 K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng 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 La – Ba – Cu – O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt
độ Nitơ lỏng. Với phát minh này J.G. Bednorz và K.A Muller đã được nhận giải
thưởng Nobel về 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
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:
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.
Alexei A. Abrikosov
Vitaly L. Ginzburg
Anthony J. Leggett
13
Anthony J. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại
University of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa kỳ.
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
Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn
Vật liệu T
o
C năm Vật liệu T
o
C Năm
Hg 4,2 1911 KxC60 18 - 30 1991
Pb 7,2 1913
Hg-Ba-Ca-
Cu-O
90 - 161 1993
Nb 9,2 1930
(NH3)4Na2
CsC60
33 1994
Nb3Sn 18,1 1954 Y-Pd-B-C 23 1994
Nb3
(Al0,75Ge0,
25)
20 – 21 1966
Ln(Re)-Ni-
B-C
13 - 17 1994
Nb3Ga 30,3 1971
(Ca,Na)2Ca
Cu2O4Cl2
49 1995
Nb3Ge 23,2 - 23,9 1973 Ba-Ca-Cu-O 126 1996
BaPb1-
xBixO3
13 1974 Li2BeH4 1997
La1-
xCaxMnO3-
Ba-Cu-O
30 – 40 1986
Bi-Ba-Ca-
Cu-O
126 - 130 1997
Y(Re)-Ba-
Cu-O
80 - 90 1987
(CuTl)Ba2C
an-
1CunO2n+4
-y
121 1998
Bi-Sr-Ca-
Cu-O
110 – 120 1988 MgB 39 2000
Tl-Ba-Ca-
Cu-O
115 -125 1988
14
II.2. Tính chất từ
II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng
Chất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở.
Hãy xem xét các tính chất từ của vật dẫn không có điện trở. Những vật dẫn như vậy
dược gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo.
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 dường 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 diểm bên rong kim
loại không thay dổi theo thời gian, ví dụ:
0B =
ur
(tức là
0
dB
dt
=
uur
) (2.1)
Đó sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống như trước
khi kim loại mất điện trở.
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
ta 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.