báo cáo nghiên cứu khoa học-hiện tượng siêu dẫn và ứng dụng

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 Mục lục Mục lục .3 Lời mở đầu Lý chọn đề tài I Hiện tượng siêu dẫn II Các vật liệu siêu dẫn 10 III Các lý thuyết liên quan siêu dẫn 33 IV Chất siêu dẫn nhiệt độ cao 38 V Các ứng dụng vật liệu siêu dẫn 47 VI Một số phát tượng siêu dẫn 61 Lời kết .69 Tài liệu tham khảo 70 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 cịn nhiều điều kỳ bí 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 không 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 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 ngun tắc, dịng điện bắt đầu chạy vòng 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 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 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 hoàn toàn 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 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 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 R (Ω ) 80 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 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 : i(t) = i(0)e  R  − ÷t  L Ở R điện trở xuyến Chúng ta đo từ trường tạo dịng điện bao quanh xuyến Phép đo từ trường khơng 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 0 (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