Đề tài hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học đời sống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ lớp 3A    Đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Nhóm thực hiện: TS Lê Văn Hồng Vũ Trúc Thanh Hoài Huỳnh Thị Hương Nguyễn Thị Ngọc Lan (26 – 06) Nguyễn Thị Mỹ Linh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng – 2009 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục Mục lục Lời mở đầu Lý chọn đề tài I Hiện tượng siêu dẫn I.1 Khái niệm tượng siêu dẫn I.2 Điện trở không .7 I.3 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha .8 II Các vật liệu siêu dẫn .9 II.1 Vài nét lịch sử phát chất siêu dẫn Bảng thống kê số vật liệu siêu dẫn 12 II.2 Tính chất từ 13 II.2.1 Tính nghịch từ vật dẫn lí tưởng 13 II.2.2 Vật siêu dẫn không lý tưởng 14 II.2.3 Hiệu ứng Meissner 15 II.2.4 Từ trường tới hạn .18 II.2.5 Dòng tới hạn 18 II.2.6 Mối liên hệ từ trường tới hạn dòng tới hạn 21 II.2.7 Phân loại chất siêu dẫn theo tính chất từ 24 II.3 Tính chất nhiệt 25 II.3.1 Sự lan truyền nhiệt chất siêu dẫn 25 II.3.2 Nhiệt dung chất siêu dẫn 27 II.3.3 Độ dẫn nhiệt chất siêu dẫn 28 II.3.4 Hiệu ứng đồng vị .30 II.3.5 Các hiệu ứng nhiệt điện 30 II.3.6 Các tính chất khác 31 II.4 Phân biệt vật liệu siêu dẫn vật dẫn điện hoàn hảo 31 III Các lý thuyết liên quan siêu dẫn 32 III.1 Entropi trạng thái siêu dẫn trạng thái thường 32 III.2 Sự xâm nhập từ trường vào chất siêu dẫn .32 III.3 Lý thuyết Ginzburg - Landau 33 III.3.1 Phương trình Ginzburg – landau 33 III.3.2 Độ dài kết hợp 35 III.4 Lý thuyết BCS 35 III.4.1 Lý thuyết BCS 35 III.4.2 Cặp Cooper 36 IV Chất siêu dẫn nhiệt độ cao 37 IV.1 Sơ lược lịch sử phát chất siêu dẫn nhiệt độ cao 37 IV.2 Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao 40 IV.3 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 41 IV.3.1 Vài nét oxit siêu dẫn 41 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com IV.3.2 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu Oxy 42 IV.3.3 Chất siêu dẫn MgB2 .44 IV.4 Tính chất khác .45 V Các ứng dụng vật liệu siêu dẫn 46 V.1 Tàu chạy đệm từ 46 V.2 Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 48 V.3 Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao 50 V.4 Truyền tải lượng ( Electric Power Tranmission) 50 V.5 Nam châm siêu dẫn lò phản ứng nhiệt hạch 51 V.6 Khả giữ trạng thái plasma: 52 V.7 Bom E: 52 V.8 Siêu máy tính: 53 V.9 Ăngten mini ( Miniature Antennas) .53 V.10 Công tắc quang học: 54 V.11 Bình tích trữ lượng từ siêu dẫn ( Superconducting Manetic Energy Storage - SMES) 54 V.12 Các bệ phóng điện từ ( Electrmagetic Launchers): 54 V.13 Tách chiết từ: .55 V.14 Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System, MHD) 55 V.15 Máy lạnh từ: 56 V.16 Biến siêu dẫn 56 V.17 Máy phát điện siêu dẫn 56 V.18 Động siêu dẫn 57 V.19 Thiết bị máy phát – Động siêu dẫn kết hợp 57 V.20 Tàu thủy siêu dẫn 57 V.21 Thiết bị dị sóng milimet 58 V.22 Bộ biến đổi analog/digital(A/D convertor) 58 V.23 Màn chắn từ thiết bị dẫn sóng 58 V.24 Thiết bị sử lý tín hiệu 59 V.25 Ơtơ điện 59 V.26 Cảm biến đo từ thông ba chiều 59 V.27 Thiết bị Synchrotrons 59 V.28 Lò phản ứng nhiệt hạch từ 60 VI Một số phát tượng siêu dẫn 60 VI.1 Chất siêu dẫn người 60 VI.2 Chất siêu dẫn 1.5 61 VI.3 Hành xử theo hai kiểu .62 VI.4 Hỗn hợp tương tác .62 VI.5 Silicon siêu dẫn nhiệt độ phòng 63 VI.6 Vật liệu nano mang đồng thời tính siêu dẫn tính sắt từ .64 Lời kết 68 Tài liệu tham khảo .69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời mở đầu Đề tài “ Hiện tượng siêu dẫn ứng dụng khoa học – đời sống” nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn nâng cao hiểu biết tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng khoa học – đời sống Trong tài liệu này, chúng em có trình bày vài nét trình lịch sử phát chất siêu dẫn, lý thuyết liên quan, khái niệm, đặc điểm điển hình tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn cuối ứng dụng cụ thể khoa học – đời sống Có thể giúp bạn có nhìn cụ thể tượng này, biết điều lạ, thú vị việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ đại Hy vọng tài liệu tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên, người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn – vấn đề nhiều điều kỳ bí LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lý chọn đề tài Chúng ta biết điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ, nhiệt độ giảm điện trở kim loại giảm giảm đều.Tuy nhiên đa số vật liệu có tính chất Một đặc tính kỳ diệu số vật liệu nhiệt độ định (tùy theo chất) điện trở suất vật liệu không, độ dẫn điện trở nên vơ Đó tượng siêu dẫn Hiện tượng lý thú phát lần thủy ngân cách gần kỷ (năm 1911) vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K) Sau này, tính chất siêu dẫn tìm thấy hàng loạt kim loại, hợp kim hợp chất Ngồi đặc tính siêu dẫn, người ta phát thấy với chất siêu dẫn từ trường bên ln ln khơng có tượng xuyên ngầm lượng tử… Mãi 40 năm sau, tượng kỳ lạ chất siêu dẫn lý giải lý thuyết vi mô Theo đó, khác với chất dẫn điện thơng thường, trạng thái siêu dẫn, tượng dẫn điện cặp điện tử kết hợp với chuyển động tạo nên dịng điện, cặp khơng bị mát lượng điện trở suất khơng Với đặc tính nêu trên, chất siêu dẫn ứng dụng nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao chế tạo Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng bệnh viện để chuẩn đốn xác bệnh tật người không sử dụng cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao phát cách 20 năm mở triển vọng to lớn việc nghiên cứu, ứng dụng chất siêu dẫn Để sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi 77 K hay 196οC) với giá thành hạ hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường Chất siêu dẫn có số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn cơng nghệ cao, chúng khơng có điện trở Về nguyên tắc, dòng điện bắt đầu chạy vịng siêu dẫn, gần chạy Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang lượng điện lớn dây điện dây cáp tiêu chuẩn Vì vậy, thành phần siêu dẫn nhỏ nhiều so với chất khác Và điều quan trọng chất siêu dẫn không biến điện thành nhiệt Điều đồng nghĩa với việc máy phát chip máy tính siêu dẫn hoạt động hiệu nhiều so với Các khả ứng dụng tiềm tàng chất siêu dẫn rộng rãi quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học cho rằng, việc phát minh chất siêu dẫn so sánh với việc phát minh lượng nguyên tử, việc chế tạo dụng cụ bán dẫn; chí số nhà khoa học cịn so sánh vơi việc phát minh điện Các vật liệu siêu dẫn đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, cơng nghệ kinh tế đời sống xã hội Các vấn đề tượng siêu dẫn ln vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm Hơn hai mươi năm qua, nhà vật lý lý giải cách xác tượng siêu dẫn nhiệt độ cao dường xảy nhóm đặc biệt hợp chất dựa đồng (Cu) xảy Và đây, nhà khoa học Nhật Bản khám phá loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hồn tồn dựa sắt mà cho phép nhà vật lý cách thức để tìm hiểu cách dễ dàng tượng – làm sáng tỏ điểm quan trọng tượng đầy bí ẩn vật lý chất rắn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chúng ta thấy tượng siêu dẫn mang đến cho khoa học đời sống ứng dụng rộng rãi to lớn Ngày khoa học kĩ thuật đang phát triển đòi hỏi nhà khoa học phải vận dụng khai thác tối đa ứng dụng chất siêu dẫn để phục vụ cho người lĩnh vực Qua thấy ứng dụng chất siêu dẫn khơng cịn xa lạ với người Hiện tượng siêu dẫn mang đến sức hút kì lạ cho biết đến mong muốn khám phá ứng dụng rộng rãi kì diệu Và lí để nhóm định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn ứng dụng khoa học đời sống” với mong muốn nâng cao hiểu biết vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng siêu dẫn Hy vọng đề tài tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn Nhóm sinh viên thực LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com I Hiện tượng siêu dẫn I.1 Khái niệm tượng siêu dẫn Siêu dẫn trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà cho phép dịng điện chạy qua trạng thái khơng có điện trở đặt siêu dẫn vào từ trường từ trường bị đẩy khỏi Hiện tượng siêu dẫn tượng mà điện trở chất đột ngột giảm nhiệt độ xác định 80 R (W ) 60 40 20 0 20 40 60 T (K) Hình 1.1 Sự điện trở chất siêu dẫn nhiệt độ thấp I.2 Điện trở không Về nguyên tắc, nhiệt độ chuyển pha, điện trở chất siêu dẫn xem hoàn toàn biến Vậy thực chất: trạng thái siêu dẫn, điện trở thành khơng có giá trị nhỏ ? Tất nhiên, chứng minh thực nghiệm điện trở thực tế 0; điện trở nhiều chất trạng thái siêu dẫn nhỏ độ nhạy mà thiết bị đo cho phép ghi nhận Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh xuyến siêu dẫn khép kín, nhận thấy dịng điện khơng suy giảm sau thời gian dài Giả thiết tự cảm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xuyến L, thời điểm t = ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, thời gian muộn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức :  R   t L i(t) = i(0)e Ở R điện trở xuyến Chúng ta đo từ trường tạo dịng điện bao quanh xuyến Phép đo từ trường không lấy lượng từ mạch điện mà cho ta khả quan sát dịng điện ln chuyển khơng thay đổi theo thời gian xác định điện trở kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 Ωm Giá trị thỏa mãn kết luận điện trở kim loại siêu dẫn I.3 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes khảo sát điện trở kim loại khác vùng nhiệt độ Heli Khi nghiên cứu điện trở thủy ngân (Hg) phụ thuộc nhiệt độ, ông quan sát rằng: điện trở Hg trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cỡ 234K (- 390C ) 39, Ω Trong trạng thái lỏng 00 (cỡ 273 K) có giá trị 172,7Ω , gần 4K có giá trị 8.10-2 Ω T ~ 3K có giá nhỏ 3.10-6 Ω Như coi nhiệt độ T