Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 5 - Phạm Thành Chung được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên nắm được các nội dung về: Nhiệt độ tới hạn; Hiệu ứng Meissner; Phân loại vật liệu siêu dẫn; Lý thuyết BCS; Mật độ dòng điện tới hạn; Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) Giới thiệu chung Hiện tượng siêu dẫn phát vào năm 1911 Kamerlingh Onnes tiến hành thí nghiệm nhúng thủy ngân He lỏng (nhiệt độ hóa lỏng 4,2oK), điện trở thủy ngân gần không ông gọi tượng siêu dẫn (super conductivity) Sau Onnes phát Sn Pb thể tính siêu dẫn nhiệt độ chúng xuống nhiệt độ tương ứng 3,8 6oK, thí nghiệm ơng tiến hành cho dịng điện chạy vịng dây kín làm Pb, dịng điện chạy trong vịng năm Mỗi độ K nhiệt giai Kenvin (1K) độ nhiệt giai Celsius (1 °C) °C ứng với 273,15oK 94 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.1 Nhiệt độ tới hạn oNhiệt độ tới hạn (critical temperature) Tc trị số mà nhiệt độ điện trở kim loại giảm không oTrị số không điện trở có giá trị tương đối, có nghĩa nằm độ nhạy thiết bị đo Tại nhiệt độ có chuyển pha đột ngột vật liệu từ trạng thái bình thường thành siêu dẫn, khoảng nhiệt độ dẫn tới chuyển pha nhỏ cỡ khoảng vài mK Phát triển nhiệt độ tới hạn theo thời gian Những vật liệu thể tính siêu dẫn nhiệt độ nhiệt độ hóa lỏng nitơ (77oK) gọi vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High temperature superconductor) Ngày tiến ngành vật liệu siêu dẫn cho phép đạt nhiệt độ tới hạn ngày cao 95 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.2 Hiệu ứng Meissner Khi vật liệu chuyển trạng thái từ pha bình thường sang pha siêu dẫn, trường bên thân vật liệu bị đẩy ngoài, tượng gọi hiệu ứng Meissner Hiện tượng từ trường bên vật liệu không trường hợp khác so với trường hợp vật liệu nghịch từ trạng thái điện trở vật liệu đạt tới trị số Một nam châm lơ lửng mặt vật liệu siêu dẫn nhúng nitơ lỏng lạnh tới −200 °C ,thể hiệu ứng Meissner Hiệu ứng Meissner vật liệu chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn, đường sức từ trường bị đẩy khỏi thể tích vật liệu nhiệt độ nhiệt độ tới hạn 96 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.2 Từ trường tới hạn (Hc) Ở nhiệt độ nhiệt độ tới hạn, tính siêu dẫn vật liệu bị đặt từ trường ngồi có trị số lớn trị số Hc gọi từ trường tới hạn Quan hệ nhiệt độ tới hạn Tc từ trường tới hạn Hc biểu diễn qua cơng thức thực nghiệm : Trong Hc0 từ trường nhiệt độ 0oK Tc0 nhiệt độ tới hạn từ trường Tùy theo trị số từ trường tới hạn mà người ta chia vật liệu siêu dẫn làm loại 97 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.3 Phân loại vật liệu siêu dẫn A Vật liệu siêu dẫn loại oLà loại vật liệu mà hiệu ứng Meissner ngừng từ trường vượt từ trường tới hạn oDưới trị số từ trường này, vật liệu siêu dẫn với việc từ trường bên vật liệu (trừ mép vật liệu) Đặc tính chuyển pha siêu dẫn loại oMột số kim loại tinh khiết, chì, thủy ngân, thiếc…là ví dụ điển hình siêu dẫn loại oTuy nhiên trị số từ trường giới hạn nhỏ (μ0Hc 1000A/mm2 106 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.5 Mật độ dòng điện tới hạn Quan hệ giá trị nhiệt độ tới hạn, từ trường tới hạn mật độ dòng tới hạn minh họa hình vẽ, vật liệu trạng thái siêu dẫn giá trị nhiệt độ, dòng điện từ trường nằm bên bề mặt tạo quan hệ Quan hệ nhiệt độ, từ trường mật độ dòng điện chất siêu dẫn Trong ứng dụng thực tế, ba tham số cần xét đến Vì thông thường nhiệt độ làm việc chất siêu dẫn phải nhỏ nhiều nhiệt độ tới hạn phép mật độ dịng điện từ trường Ví dụ chất siêu dẫn dùng nitơ lỏng để làm lạnh (77oK) nhiệt độ tới hạn phải 90oK 107 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.6 Ứng dụng vật liệu siêu dẫn A Nam châm siêu dẫn để tạo từ trường cao •Chất siêu dẫn có khả mang dịng điện lớn, từ trường mà sinh lớn •Bằng vật liệu siêu dẫn, cần nam châm kích thước nhỏ có khả gây từ trường lớn •Các ứng dụng dùng nam châm siêu dẫn kể đến: - Hệ thống chụp ảnh cộng hưởng từ (magnetic resonance imaging system- MRI), - Dùng để tuyển quặng (ore separation) cần từ trường cao… 108 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.6 Ứng dụng vật liệu siêu dẫn B Ứng dụng hệ thống điện •Tổn hao dây dẫn ước tính khoảng 5% tổng cơng suất phát HTĐ •Nếu hệ thống truyền tải sử dụng vật liệu siêu dẫn làm dây dẫn đưa vào sử dụng, tổn hao giảm thiểu đường dây truyền tải •Tuy nhiên ứng dụng dây dẫn làm đường dây truyền tải hạn chế nhiều nguyên nhân: Do hệ thống làm lạnh tốn kém,mật độ dòng tới hạn chưa đủ lớn… 109 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.6 Ứng dụng vật liệu siêu dẫn C Ứng dụng ngành giao thơng •Hiệu ứng Meissner chất siêu dẫn ứng dụng để chế tạo tàu chạy đệm khơng khí •Khi phía tàu mang từ trường, cảm ứng bề mặt vật siêu dẫn dòng điện để tạo từ trường đủ lớn để nâng tàu lên, loại tàu gọi “Maglev train” •Năm 1987, nhà khoa học Nhật đưa vào thử nghiệm tàu chạy đệm khơng khí loại mang tên MLU-002, mơ hình tàu đạt tới vận tốc 520km/h 110 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.6 Ứng dụng vật liệu siêu dẫn D Các ứng dụng ngành điện tử, đo lường siêu máy tính Các ứng dụng dựa hiệu ứng Josephson hình thành cặp điện tử Cooper qua lớp tiếp giáp cách điện mỏng hai lớp siêu dẫn Do hiệu ứng này, có dịng chạy ngầm qua hệ siêu dẫn- cách điện- siêu dẫn khơng có điện áp đặt lên hệ A Josephson junction: It is made of two superconductors connected through a small insulating layer Hiệu ứng ứng dụng cho siêu máy tính với tốc độ xử lý cao (có thể gấp 10 lần tốc độ máy tính dùng bán dẫn thơng thường khả đóng cắt tín hiệu nhanh) SQUID (superconducting quantum interference device) để đo biến đổi từ trường nhỏ https://www.phas.ubc.ca/~berciu/TEACHING/PHYS502/PROJECTS/17SQUID.pdf 111 Tài liệu tham khảo • Magnetic materials: Fundamentals and Device Applications, Nicola A Spaldin, Cambridge University Press 2003 • Physics of Magnetism and Magnetic Materials, K H J Buschow and F R De Boer, Springer 2003 • Understanding solids: The Science of Materials, Richard J D Tilley, John Wiley and Sons 2004 • Vật Lý Các Hiện Tượng Từ, Nguyễn Phú Thùy, NXB Đại học Quốc Gia 2004 • An Introduction to Electronic and Ionic Materials, Wei Gao and Nigel M Sammes, World Scientific 1999 • http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu, 2006 • Theorie du magnetisme, Renet Pauthenet, Collection de Technique de l’Ingenieurs 2006 • Physique des materiaux magnetiques, Olivier Goeffroy, Collection de Technique de l’Ingenieur 2006 112 ... trường tới hạn mà người ta chia vật liệu siêu dẫn làm loại 97 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5. 3 Phân loại vật liệu siêu dẫn A Vật liệu siêu dẫn loại oLà loại vật liệu mà hiệu ứng Meissner ngừng... trị tới hạn, siêu dẫn loại ứng dụng thực tế 98 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5. 3 Phân loại vật liệu siêu dẫn B Vật liệu siêu dẫn loại oTrong loại vật liệu hiệu ứng Meissner biến từ trường vượt trị... (77oK) gọi vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (High temperature superconductor) Ngày tiến ngành vật liệu siêu dẫn cho phép đạt nhiệt độ tới hạn ngày cao 95 Chương Vật liệu siêu dẫn (SC) 5. 2 Hiệu ứng