• Sự phát triển của ngành điện hiện đại, điện vật lý, vật lý năng lượng cao, tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao về y học và nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác không thể có
Trang 1CHẤT DẪN ĐIỆN CHẤT SIÊU DẪN
Giảng viên: Nguyễn Đăng Nhật
Năm học: 2011-2012
Trang 21.Chất siêu dẫn
1.1 khái niệm
1.2 Lịch sử
1.3 ứng dụng
Trang 31.1 Khái niệm
Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một
số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến
sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng
Meissner) Siêu dẫn là một hiện tượng lượng
tử Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học
Trang 4a Siêu dẫn nhiệt độ cao
Trang 5Siêu dẫn nhiệt độ cao, trong
vật lý học, nói đến hiện tượng siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục
Kelvin trở lên Các hiện tượng này được khám phá từ thập
kỷ 1980 và không thể giải
thích được bằng lý thuyết
BCS vốn thành công với các chất siêu dẫn cổ điển được
tìm thấy trước đó.
Trang 6Siêu dẫn ở nhiệt độ cao
Trang 7b Hiệu ứng Meissner
Một nam châm được nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng lạnh tới −200°C, thể hiện hiệu ứng Meissner
Trang 8• Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng
Meissner-Ochsenfeld là hiệu ứng từ
thông bị đẩy ra hoàn toàn khỏi bên trong của vật siêu dẫn Hiện tượng này là hiện tượng nghịch từ hoàn hảo Từ thông sinh
ra bởi vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ
thông ở môi trường ngoài Do đó, từ thông bên trong vật siêu dẫn bằng 0 Hiện tượng này được khám phá bởi Walther Meissner
và Robert Ochsenfeld vào năm 1933.
Trang 9c Lý thuyết BCS
• Lý thuyết BCS là mô hình lý thuyết vi mô
được ba nhà vật lý John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đưa ra vào năm 1957 để giải thích hiện tượng siêu
dẫn Lý thuyết này giải thích rất thành
công những tính chất vi mô của hệ siêu dẫn và nhiệt động lực học của hệ Lý
thuyết này cũng rất tương thích với một
mô hình định tính khác là "lý thuyết
Ginzburg-Landau".
Trang 11• Ý tưởng cơ bản của mô hình này là khi trong hệ xuất hiện lực
hút giữa các điện tử, trạng thái điện tử cơ bản của hệ chất rắn trở nên không bền so với trạng thái mà trong đó có xuất hiện cặp điện tử với spin và xung lượng trái ngược
• Lực hút giữa các điện tử này là do nguyên nhân tương tác giữa
điện tử với các mode biến dạng của tinh thể mạng (phonon)
Ta có thể hình dung, khi một điện tử chuyển động, tương tác của nó với mạng tinh thể làm biến dạng mạng tinh thể và điện
tử đi theo sau đó sẽ dễ dàng chuyển động hơn trong tinh thể Hai điện tử này tạo thành một cặp điện tử Cooper Từ tương tác điện tử với các phonon ta có thể suy ra lực tương tác hút hiệu dụng giữa hai điện tử
• Với giả thiết trên về tương tác hút giữa các điện tử, bằng
phương pháp trường trung bình ta có thể giải được mô hình và thu được những kết quả định lượng
• John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đã nhận giải
thưởng Nobel về vật lý năm 1972 nhờ công trình này Tuy
nhiên lý thuyết BCS chỉ áp dụng đúng cho các chất siêu dẫn cổ điển có nhiệt độ của trạng thái siêu dẫn rất thấp Sau phát minh
về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, cho đến nay chưa có lý
thuyết hoàn chỉnh nào giải thích các hiện tượng này
Trang 122.Lịch sử
• Đối với kim loại nói chung, ở nhiệt độ rất cao thì điện dẫn xuất λ tỉ lệ với nhiệt độ T
Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh khi T giảm Nếu kim loại hoàn toàn tinh khiết, có thể nói rằng về nguyên tắc khi T=0 thì λ tiến tới vô cực, nghĩa là điện trở kim lọai dần tiến tới 0 Nếu kim lọai có lẫn tạp chất thì ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài độ K) kim loại có điện trở dư không phụ thuộc nhiệt độ và tỉ lệ với nồng độ tạp chất Thực tế không thể đạt tới nhiệt độ T=0 độ K và không thể có kim loại nguyên chất hoàn toàn, nên vật thể có điện trở bằng 0 chỉ là vật dẫn lý tưởng.
• Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy rằng
sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn sự phụ thuộc đối với kim lọai khác Khi nhiệt độ thấp,địên trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới Tc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt Hiện tượng nói trên gọi là hiện tượng
siêu dẫn, và Tc là nhiệt độ tới hạn.
• Đến tháng 1 năm 1986 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller và Georg Bednorz
tình cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ K.
• Một thời gian ngắn sau, các nhà khoa học Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K.
• 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
Trang 13Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và
vật dẫn điện hoàn hảo la’?
• Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn
hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi) Từ trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt
độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái
ban đầu của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ
phòng Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt
độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.
Trang 143 Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn
• Chuyển tải điện năng
• Đoàn tầu chạy trên đệm từ
• Tạo ra Máy gia tốc mạnh
• Máy đo điện trường chính xác
• Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện
tử siêu tốc
• Máy quét MRI dùng trong y học
Trang 153.1 chuyển tải điện năng
Trang 16• Sự phát triển của ngành điện hiện đại, điện vật lý, vật lý năng lượng cao, tổng hợp
nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao về y học và nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác không thể có được nếu không sử dụng rộng rãi những thiết trí ứng dụng hiện tượng siêu dẫn.
• Trong thuật ngữ kỹ thuật, vật liệu siêu dẫn được chia thành hai loại: Vật liệu siêu dẫn
nhiệt độ thấp (VSNT) hoạt động ở mức nhiệt độ hêli và các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (VSNC) có khả năng hoạt động ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng (~ 77 K).
Trong số rất nhiều hợp kim và hợp chất VSNT có thể có, sau gần bốn mươi năm tiến hành lựa chọn, người ta đã xác định được hai vật liệu đầu bảng là hợp kim Nb -Ti được biến dạng và hợp chất giữa các kim loại Nb3Sn, về nguyên tắc thoả mãn được những đòi hỏi chủ yếu của ngành điện và điện vật lý Chính các vật liệu Nb -Ti và Nb3Sn tại nhiệt độ làm việc từ 1, 8 đến 8 K thực tế đảm bảo mức yêu cầu trên toàn
bộ dải từ trường và mật độ dòng làm việc trong các thiết trí kỹ thuật điện và điện vật lý.
Những VSNC chính đang được sử dụng ngày nay là những vật liệu trên cơ sở các hợp chất: Bi2Sr2CaCu2Ox (Bi-2212); Bi2Sr2Cu2CXu3Ox (Bi - 2223) và YBa2Cu3O7 (Y-123).
Các chất siêu dẫn trên cơ sở của hợp chất Bi -2212 do nhiệt độ tới hạn tương đối thấp (90 K) không có ý nghĩa để sử dụng ở cấp nhiệt độ sôi của nitơ lỏng ở các
nhiệt độ từ hêli đến hyđrô, chúng có khả năng tải dòng vượt trội hơn các vật liệu
nhiệt độ thấp trong các từ trường mạnh (Nb-Ti; Nb3Sn) ở nhiệt độ 4, 2 K Về kết cấu, dây dẫn Bi -2212 được chế tạo bằng phương pháp "bột tán - trong ống" chủ yếu ở dạng băng (dải) và đôi khi ở dạng các dây xoắn trong lớp vỏ bọc bằng bạc hoặc hợp kim bạc.
Trang 17• Ngày nay ở các nước phát triển (Mỹ, châu Âu, Nhật) và hàng loạt các nước đang phát triển (Trung Quốc, Hàn Quốc) đang diễn ra bước quá độ từ giai đoạn nghiên cứu triển khai sang giai đoạn sản xuất công nghiệp với sản lượng tương đối lớn các vật liệu siêu dẫn kỹ thuật trên cơ sở các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (VSNC) và thử nghiệm chúng với việc chế tạo
hàng loạt các thiết trí mẫu kỹ thuật điện ở nhiệt độ cực thấp
như cáp điện lực, bộ dẫn dòng, bộ hạn chế dòng, máy biến áp, động cơ và máy phát điện, các hệ thống từ, v.v
Rất nhiều công ty hàng đầu như AMSC (Mỹ), EAS, Trithor
(Đức), Sumitomo Electric Industry (SEI), Furukawa, Hitachi
(Nhật), Innova ST (Trung Quốc), có sản lượng dây dẫn VSNC đạt tới 1.000 km mỗi năm Nhiều dự án xây dựng các xí nghiệp công nghiệp đang được tích cực thực hiện với sản lượng lên tới 20.000 km một năm (AMSC - Mỹ) Khối lượng vốn đầu tư của cả tư nhân, cũng như của nhà nước cho việc nghiên cứu triển khai các công nghệ này ở Mỹ lên tới 100 triệu USD mỗi năm
Trang 183.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ
• Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật và
người Đức thiết kế ra các đoàn tầu chạy trên đệm từ Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng
3 - 4 công nghệ tầu chạy trên đệm từ khác
nhau, lấy tên là Maglev dựa theo: thực hiện
phép nâng điện - động lực học bằng cách tạo
ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm
siêu dẫn đặt trên con tầu và những cuộn dây lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tông.
Trang 19• Sau đây là một hình mẫu
nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba, có
thông số kỹ thuật: tầu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau khoảng 500km, mục tiêu chở
100 khách chạy trong một giờ
Từ trường do nam châm siêu dẫn tạo ra cực mạnh đủ để nâng con tầu lên 10 cm khỏi đường ray Đường ray có mặt cắt hình chữ U, trên nó có lắp
3 cuộn dây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc đường tầu Nam châm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong những bình chứa Helium đã hoá lỏng, tạo ra
nhiệt độ thấp là 269 độ dưới không độ, khi có dòng điện đi qua, sinh ra một từ trường
khoảng 4,23 tesla nâng tầu bổng lên trong khung đường ray chữ U.
Trang 203.3 máy gia tốc mạnh
Máy gia tốc hạt vòng xuyến
Trang 21• Một ứng dụng quan trọng khác nữa là, có thể tạo ra
được máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc của nguyên tử Người ta dùng những nam châm cực mạnh
để bẻ cong các chùm hạt, làm cho chúng chạy theo
đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên
cứu những "mảnh" sinh ra do những va đập mạnh đó;
người ta gọi đó là "siêu va đập siêu dẫn", dựa theo
nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một "máy gia tốc cực mạnh" trong đường hầm dài 88 km ở bang Texec để nghiên cứu các hạt cơ bản của vật chất
Trang 223.4Máy quét MRI dùng trong y
học
• các nhà khoa học khai thác hiện tượng siêu dẫn trong các ứng dụng đặc biệt như máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ (MRI) và máy tạo sự va đập của các hạt vật lý năng lượng cao, được làm lạnh bằng Heli lỏng Nhưng các ứng dụng thông dụng hơn như việc thay thế hệ thống đường dây điện bằng các loại dây siêu dẫn vẫn chưa thể thực hiện được nếu không có các vật liệu có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn
Trang 233.4 ứng dụng khác
được trạng thái thứ tư cua vật liệu-trạng thái plasma
Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch (Thermonuclear reactions) với khả năng tạo ra một năng lượng khổng lồ, hãy thử hình dung năng lượng được tạo ra do phản ứng nhiệt hạch từ một gam D-T tương đương với năng
lượng từ 10000 lits dầu.Nhưng ở trạng thái plasma với thành phần chủ yếu là Hidro nà hêli và nhiệt độ khoảng 60000C sẽ không co loại vật liệu nào có thể giữ, khống chế được nguồn năng lương này Với khả năng ưu việt của mình các Ions và electrons quay xung quanh các
đường từ trường tạo ra một áp lực tử vô cùng lớn có thể giữ được trạng thái plasma trong các lò phản ứng hạt nhân
Trang 244.1 Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao
dựa trên nền sắt đầu tiên
• 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 (Fe) cho phép các nhà vật lý tìm hiểu dễ dàng hơn và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn
• Siêu dẫn là sự biến mất hoàn toàn của điện trở của vật liệu khi được làm
lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (TC) Hiện tượng siêu dẫn dựa trên việc tạo ra các cặp điện tử tương hỗ với nhau, thông qua tạo thành các cặp gọi là gặp Cooper để chuyển dời trong vật liệu mà không bị cản trở (không có điện trở) Hiện tượng này được miêu tả trong lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) về hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, ở
đó các cặp Cooper được nhờ việc liên kết các điện tử với nhau thông qua trao đổi các phonon (hạt trường của dao động mạng tinh thể)
• Tuy nhiên, lý thuyết BCS không thể lý giải được các tính chất của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, được khám phá từ năm 1986 (giá trị nhiệt độ
chuyển pha cao nhất hiện nay đạt tới 138 K), và các hợp chất này hầu hết đều là các hợp chất của đồng (cuprates) chứa các mặt phẳng song song của ôxit đồng mà ở đó các nguyên tử đồng nằm trên một mạng hình vuông và điện tích được mang bởi các lỗ trống ở vị trí của Ôxi Mỗi nguyên tử đồng sẽ có một điện tử không kết cặp và do đó các nhà nghiên cứu tin rằng mômen từ (hay spin) liên kết với nhau sẽ tạo ra tính chất siêu dẫn trong các vật liệu này
Trang 25Hình 1 Cấu trúc tinh thể và phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu (J Am Chem Soc
130 3296)
Trang 26• Mới đây, Hideo Hosono cùng các cộng sự ở Viện Công nghệ Tokyo (Nhật Bản) lần đầu tiên khám phá ra một vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha 26 K được dựa trên các hợp chất của
sắt -Fe (có thể xem các kết quả này trên J Am Chem Soc 130
3296) Đây là hợp chất LaOFeAs chứa các lớp của Lanthanum
(La) Ôxi (O) bị kẹp giữa bởi các lớp của Sắt (Fe) và Arsenic (As) – và bị pha tạp thêm các ion Fluoride Các nhà nghiên cứu hi
vọng có thể tăng được nhiệt độ chuyển pha cao trên 26 K bằng
cách thay đổi các quá trình xử lý vật liệu (ví dụ như đặt áp suất…) Các nghiên cứu sơ bộ ban đầu về vật liệu này đã giả thiết tính chất siêu dẫn xảy ra trong vật liệu không thuộc loại trung gian phonon (phonon-mediated) như được kỳ vọng từ lý thuyết cổ điển BCS,
nhưng có thể không giống như được dự đoán trong các hợp chất
siêu dẫn nhiệt độ cao kiểu “cuprates”
Trang 27Hình 2 Sự thay đổi của điện trở suất và độ cảm từ phụ thuộc vào
nhiệt độ của vật liệu Tính chất chuyển pha xảy ra ở 26 K (J Am
Chem Soc 130 3296)
Trang 28SILICON siêu dẫn ở nhiệt độ
phòng
• Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu thử
thách của ngành điện tử, đó là tạo ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ
phòng mà chỉ dùng các hợp chất thông thường
• Với khí SiH4 ở áp suất cao, các nhà khoa học đã tạo ra được vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Source: Wikipedia
• Đầu năm nay, TTCN đã tóm tắt về
quan trọng nhất trong lĩnh vực này đã được một nhóm các nhà
khoa học của Canana và Đức thực hiện thành công và đã được công bố mới đây Nhóm này đã phát triển được một hợp chất siêu dẫn ở nhiệt độ thường bao gồm silicon và Hydro mà không cần bộ máy làm lạnh
• Chìa khóa của hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ thường là áp suất, yếu tố mà trước đây được coi là rào cản không thể vượt qua trong ngành điện tử Một số hợp chất, nếu được nén ở áp suất lớn sẽ có những đặc tính đặc biệt, trong đó có siêu dẫn.
Trang 29Tại sao vật liệu siêu dẫn không
dụng trong thực tế
Trang 302.CHẤT DẪN ĐIỆN:
2.1 Khái niệm:
2.1.1 Định nghĩa:
2.1.2 Phân loại:
2.1.3 Đặt tính của vật liệu dẫn điện:
2.2 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng:
Trang 312.1 Khái niệm
2.1.1 Định nghĩa:
Là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể chồng lên vùng đầy Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự do rất lớn,
ở nhiệt độ bình thường các điện tử hoá trị trong vùng đầy có thể chuyển sang vùng
tự do rất dễ dàng, dưới tác dụng của lực điện trường các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn Chính vì vậy vật dẫn có
tính dẫn điện tốt.