tính chất và ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ .   TIỂU LUẬN TỪ HỌC ĐỀ TÀI TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN Giáo viên giảng dạy: TS Phạm Hương Thảo Học viên thực : Nguyễn Cao Trúc Giang Đặng Quang Hiển Hoàng Thị Huyền Lớp: Lý luận Phương pháp dạy học Vật Lý Khóa: 24 Huế 4/2016 MỤC LỤC Mục lục A Mở đầu B Nội dung .5 Vài nét lịch sử phát triển chất siêu dẫn Vài nét tượng siêu dẫn 2.1 Khái niện tượng siêu dẫn 2.2 Một số đặc tính chất siêu dẫn .6 2.2.1 Tính chất điện trở chất siêu dẫn 2.2.2 Tính chất từ chất siêu dẫn .6 2.2.3 Tính chất nhiệt môt số tính chất khác chất siêu dẫn a Tính chất nhiệt .7 b Khe lượng Nhiệt dung chất siêu dẫn c Một số tính chất khác Ứng cụng tượng siêu dẫn 3.1 Tàu chạy đệm từ 10 3.2 Máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI 12 3.3 Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao 14 3.4 Cáp siêu dẫn 15 3.5 Siêu máy tính 17 3.6 Máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn 18 3.7 Màn chắn từ thiết bị dẫn sóng 19 3.8 Động siêu dẫn 19 3.9 Một số ứng dụng khác 19 C Kết luận .21 Tài liệu tham khảo 22 A MỞ ĐẦU Chúng ta biết điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ nhiệt độ giảm điện trở suất giảm theo Tuy nhiên đa số vật liệu có tính chất Năm 1911, lần nhà khoa học phát đặc tính kì diệu số vật liệu nhiệt độ định (tùy chất) điện trở suất vật liệu không Khi vật chất dẫn điện với tính hoàn toàn điện trở, gọi chất siêu dẫn Thời sơ khai này, người ta biết đặc tính chất siêu dẫn, là: cho dòng điện vào mạch làm chất liệu siêu dẫn dòng điện chạy mà không suy giảm, không gặp trở kháng đường đi, nghĩa lượng điện không bị tiêu hao trình truyền tải điện từ nơi đến nơi khác Đó tượng siêu dẫn, điều huyền bí lớn khoa học Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mở triển vọng to lớn việc nghiên cứu, ứng dụng chất siêu dẫn Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta phát thấy, với chất siêu dẫn từ trường bên không tượng xuyên ngầm lượng tử,… Chất siêu dẫn có số đặc tính gần gũi với kĩ thuật nghe nhìn công nghệ cao chúng điện trở Về nguyên tắc dòng 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 Điều quan trọng chất siêu dẫn không biến điện thành nhiệt Điều đồng nghĩa với máy phát chip máy tính siêu dẫn hoạt động hiệu nhiều so với 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 Ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng bệnh viện để chuẩn đoán xác bệnh tật người, không sử dụng cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn…Nhiều nhà khoa học cho rằng, việc phát minh chất siêu dẫn so sánh với việc phát minh lượng nguyên tử, chế tạo dụng cụ bán dẫn, chí số nhà khoa học so sánh với việc phát minh điện Hiện tượng siêu dẫn mang đến sức hút kì lạ cho biết đến mong muốn khám phá ứng dụng rộng rãi kì diệu Vì nhóm chúng em chọn đề tài “Tính chất ứng dụng tượng siêu dẫn” 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 tất bạn có mong muốn tìm hiểu thêm ứng dụng vật liệu siêu dẫn B NỘI DUNG Vài nét lịch sử phát triển chất siêu dẫn Năm 1908, Kamerlingh Onnes hóa lỏng khí Heli lần giới tạo tiên đề cho phát minh siêu dẫn Năm 1911, nhà vật lý học người Hà Lan Maoneis nghiên cứu điện trở thủy ngân, phát tượng siêu dẫn quan sát điện trở thủy ngân đột ngột giảm không nhiệt độ phát lạ thu hút quan tâm ý giới khoa học Năm 1914, tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn phát Kamerlingh Onnes chế tạo nam châm siêu dẫn Năm 1930, hợp kim siêu dẫn tìm nhằm nâng cao dòng điện tới hạn từ trường tới hạn Năm 1933, Meissner Ochsenfeld công bố rằng: chất siêu dẫn làm lạnh từ trường nhiệt độ chuyển pha đường cảm ứng từ bị đẩy gọi hiệu ứng Meissner Về lý thuyết, năm 1957 Barden, Cooper Schriffer đưa lý thuyết vi mô, gọi lý thuyết BCS giải thích tất tính chất chất siêu dẫn Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, chất siêu dẫn tìm thấy có nhiệt độ chuyển pha không vượt chất lỏng môi trường để nghiên cứu tượng siêu dẫn Nhưng đến năm 1986, J.G.Bednorz K.A.Muller tìm tượng siêu dẫn hợp chất gốm với nhiệt độ chuyển pha nằm vùng nhiệt độ nitơ lỏng Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn bắt đầu hướng – siêu dẫn nhiệt độ cao Nó đánh dấu phát triển vượt bậc trình tìm kiếm nhà vật lý công nghệ lĩnh vực siêu dẫn Ở Việt Nam, nghiên cứu siêu dẫn nhà khoa học Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, Đại học Quốc gia Hà Nội thực khoảng gần hai chục năm qua Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh nitơ lỏng tạo số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền Vài nét tượng siêu dẫn 2.1 Khái niệm tượng siêu dẫn Siêu dẫn trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà cho phép dòng điện chạy qua trạng thái điện trở Và 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 Trạng thái vật vùng nhiệt độ có điện trở không gọi trạng thái siêu dẫn trạng thái vật vùng nhiệt độ có điện trở khác không gọi trạng thái dẫn thường Nhiệt độ nhiệt độ chuyển từ trạng thái dẫn thường sang trạng thái siêu dẫn hay ngược lại gọi nhiệt độ tới hạn (hay nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn) Trên thực tế giá trị mà khoảng nhiệt độ hẹp gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn 2.2 Một số đặc tính chất siêu dẫn 2.2.1 Tính chất điện trở chất siêu dẫn Điện trở tất kim loại hợp kim giảm xuống bị làm lạnh Với kim loại hoàn toàn nhiệt độ giảm điện trở biến gọi vật liệu siêu dẫn Còn kim loại có chứa tạp chất điện trở dư trì nhiệt độ thấp 2.2.2 Tính chất từ chất siêu dẫn Nếu chất siêu dẫn làm lạnh từ trường xuống nhiệt độ chuyển pha đường sức cảm ứng từ bị đẩy khỏi chất siêu dẫn Hiện tượng n ày gọi hiệu ứng Meissner 2.2.3 Tính chất nhiệt số tính chất khác chất siêu dẫn a Tính chất nhiệt Quá trình truyền nhiệt trình va chạm hạt tải với hạt tải, với sai hỏng mạng biên hạt Quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ, tạp chất kích thước mẫu Ở trạng thái siêu dẫn phụ thuộc vào từ trường xoáy từ Độ dẫn nhiệt trạng thái siêu dẫn thấp nhiều so với trạng thái thường Độ dẫn nhiệt vật liệu siêu dẫn giảm mạnh vùng nhiệt độ thấp Như vậy, điện tử siêu dẫn không đóng vai trò dẫn nhiệt Tính chất áp dụng để chế tạo công tắc nhiệt siêu dẫn kỹ thuật nhiệt độ thấp Trong số hợp kim hợp chất siêu dẫn, người ta quan sát thấy độ dẫn nhiệt tăng vùng chuyển pha, sau giảm theo nhiệt độ Để tính toán truyền nhiệt chất siêu dẫn cần phải xác định dòng tới hạn Đặc trưng trở lại điện trở truyền nhiệt xuất hoàn toàn điện trở thường dòng điện vượt dòng tới hạn Kết vùng thường lan rộng chiếm toàn mẫu trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ b Khe lượng Nhiệt dung chất siêu dẫn Điểm đặc trưng quan trọng vật trạng thái siêu dẫn lượng kích thích cặp electron có xung lượng spin ngược chiều để chuyển cặp electron từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường luôn lớn giới hạn Đại lượng lượng cần thiết bé để phá vỡ liên kết cặp electron có xung lượng spin ngược chiều chuyển chúng từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường Độ lớn gọi bề rộng khe lượng lí thuyết siêu dẫn, với khoảng cách từ mức lượng kích thích đơn hạt thấp đến mức trạng thái siêu dẫn Giữa hai mức lượng mức lượng khác electron Ta nói có khe lượng Nhiệt dung chất thường bao gồm đóng góp phonon điện tử Thực nghiệm cho thấy rằng: điểm chuyển pha từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn nhiệt dung có bước nhảy Các giá trị đo nhiệt dung mạng cho thấy hai trạng thái siêu dẫn trạng thái thường, phần nhiệt dung mạng không đổi Như vậy, thay đổi nhiệt dung toàn phần trạng thái siêu dẫn đóng góp điện tử c Một số tính chất khác Tính chất siêu dẫn vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nhiệt độ tới hạn chất siêu dẫn thay đổi theo khối lượng đồng vị: Với giá trị thực nghiệm tùy thuộc vào vật liệu Nhiệt độ chuyển pha từ trường tới hạn chất siêu dẫn tìm thực nghiệm với giá trị sai lệch chút vật liệu chịu áp suất Nhiều tính chất học trạng thái siêu dẫn trạng thái thường mặt nhiệt động lực học liên quan đến lượng tự trạng thái Thông thường, độ lớn từ trường tới hạn phụ thuộc vào chênh lệch lượng tự hai trạng thái Tính chất học vật liệu trạng thái siêu dẫn trạng thái thường khác Chất siêu dẫn không thay đổi kích thước chuyển pha từ trường Tuy nhiên, có xuất từ giảo nhỏ trạng thái siêu dẫn nhiệt độ thấp có thay đổi đột ngột kích thước mẫu trở trạng thái thường tác dụng từ trường Điều cho thấy tính dị hướng tinh thể Ứng dụng tượng siêu dẫn Sau Kamerlingh Onnes khám phá tượng siêu dẫn, nhà khoa học bắt đầu tìm kiếm ứng dụng tượng Các nam châm siêu dẫn mạnh làm nhỏ so với nam châm điện thông thường, cuộn dây mang dòng dẫn lớn mà không lượng cần công suất nhỏ nam châm điện thông thường Các vòng dây máy phát điện làm chất siêu dẫn sinh lượng điện với thiết bị nhỏ máy phát thông thường Trước điện sinh ra, phân bố qua cuộn dây siêu dẫn, lượng tích trữ cuộn dây với chu kỳ dài mà không ý nghĩa Khám phá gần chất siêu dẫn nhiệt độ cao mang lại cho bước tiến khổng lồ để tiếp cận với nghiên cứu nhà khoa học trước Các ứng dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao bao gồm: Các dụng cụ chắn từ, hình ảnh xét nghiệm y khoa, thiết bị giao thoa lượng từ siêu dẫn (SQUIDs), cảm biến hồng ngoại, thiết bị xử lý tín hiệu tương tự thiết bị vi sóng Khi hiểu biết tính chất vật liệu siêu dẫn tăng lên, ứng dụng như: truyền điện dây siêu dẫn, nam châm siêu dẫn máy phát, thiết bị dự trữ lượng, máy gia tốc hạt, đoàn tàu nâng lên từ, máy quay máy tách từ trở nên ứng dụng rộng rãi Người ta nghĩ đến lượng điện lớn phân phối, dung đường dây tải làm siêu dẫn, tốt dung dây cáp ngầm, cắt hẳn hao phí tỏa nhiệt dây dẫn Chúng ta thực bó chặt linh kiện điện tử, với mật độ cao nhất, cách chế tạo liên thông chip silic siêu dẫn-mật độ xếp mạch lôgisc sánh mật độ với mạch người thực Kết chip truyền tải thông tin với tốc độ nhanh nhiều Hiện tượng siêu dẫn ứng dụng để thiết kế biến điệu, chỉnh lưu trước hết dùng cầu thu dao động biến điệu tần số cao, dụng cụ hoạt động sở không tuyến tính điện tử siêu dẫn phạm vi chuyển tiếp Các chuyển mạch với đóng ngắt không tiếp xúc, thiết bị nhớ thiết bị nghi nhớ chế tạo dựa tượng siêu dẫn Qua việc nghiên cứu mối nối Josephson bản, nhà khoa học chế tạo máy dò vi sóng nhạy, từ kế, thiết bị giao thoa lượng tử nhiều nguồn hiệu ổn định Các nam châm siêu dẫn đóng vai trò thành phần vài công nghệ Hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) đóng vai trò đột phá chẩn đoán y học Các máy gia tốc hạt dung việc nghiên cứu vật lý lượng cao lệ thuộc vào nam châm siêu dẫn từ trường lớn Tuy nhiên, khoảng cách khám phá việc ứng dụng vào khoa học đời sống lớn Ví dụ việc phát minh tia lazer đầu năm 60, mà thông báo gần thông qua ứng dụng phẫu thuật tia lazer; máy khuếch đại lượng tử thông tin ánh sáng máy ghi đĩa nén…Qua thập kỷ khác nữa, chưa mua cuộn dây siêu dẫn, leo lên đoàn tàu nhanh , nâng từ, nghi ngờ đáng thứ 10 Một số ứng dụng tượng siêu dẫn lĩnh vực: + Trong y học: Hình ảnh cộng hưởng từ ( MRI), kỹ thuật công nghệ y học,… + Trong công nghiệp: Nam châm siêu dẫn, cảm biến máy biến năng, dụng cụ chắn từ,… + Trong điện học: SQUIDs, transistor, sơ đồ liên kết điện, máy gia tốc, cảm biến,… + Trong lượng: Các máy phát, dự trữ lượng, truyền phát sóng, tổng hợp hạt nhân,… + Trong vận chuyển: Nâng phương tiện từ, chuyển động lực đẩy biển,… 3.1 Tàu chạy đệm từ Kể từ khám phá tượng siêu dẫn, có nhiều quan tâm đặc biệt dành cho ứng dụng lĩnh vực điện từ Chuyển động từ trường kỹ thuật vận chuyển giao thông mới, công nghệ vận tải phát minh lĩnh vực đường sắt Tàu đệm từ phương tiện chuyên chở nâng lên, dẫn lái đẩy tới lực từ lực điện từ Thực phép nâng điện động lực học cách tạo từ trường đối nam châm siêu dẫn đặt tàu cuộn dây lắp đường ray hình chữ U có lắp cuộn dây từ, cung cấp điện trạm nguồn đặt đất dọc đường tàu Nam châm siêu dẫn đặt tàu đặt bình chứa Helium hóa lỏng, nhiệt độ thấp , có dòng điện qua, sinh từ trường khoảng (tesla) nâng tàu bổng lên khung đường ray chữ Nhờ lực hút lực đẩy xen kẽ hai cực Nam – Bắc cuộn dây nam châm, tàu tiến lên phía trước Hệ thống tàu đệm từ trường có đặc tính ưu điểm sau: tiếp xúc trực tiếp đường ray tàu, nên có lực ma sát tàu không khí Do đó, tàu đệm từ có khả di chuyển với vận tốc cao, tiêu tốn lượng Các hệ thống đề nghị hoạt động với vận tốc lên đến 11 650 km/h, nhanh nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống Tốc độ cao tàu đệm từ làm cho chúng cạnh tranh với đường bay Dù di chuyển với tốc độ cao, lại an toàn tàu điện bao bọc từ trường nên có khả trật đường ray Việc nâng tàu lên khỏi đường ray đảm bảo không va chạm với chướng ngại vật giảm tiếng ồn Không xả khí vào môi trường máy bay, ô tô,… Đầu tháng 06 năm 2013, công ty Đường sắt Trung ương Nhật Bản (JR Tokai) vừa thử nghiệm thành công tàu điện siêu tốc Series L0 Maglev hệ chạy đệm từ trường đạt tới vận tốc dự tính đưa vào hoạt động từ năm 2027 Tàu Series L0 nối liền ga Shinagawa trung tâm Tokyo với Nagoya Thông thường, phải 90 phút để di chuyển hai địa điểm tàu cao tốc Shinkansen, tàu đệm từ Maglev giúp giảm thời gian di chuyển xuống 40 phút Được biết, tàu đệm từ siêu tốc gồm 16 khoang, chở khoảng 1.000 hành khách Đặc biệt, loại tàu đệm từ bánh xe nên loại bỏ lực cản ma sát, giúp tàu di chuyển nhẹ nhàng tốc độ cao nhờ lực hút đệm từ đường ray Công ty JR Tokai cho biết, loại tàu gây ô nhiễm thân thiện với môi trường Mũi tàu nhọn giống phiên Maglev khác, giúp giảm lực cản gió Hình: tàu đệm từ siêu tốc Maglev Nhật 12 Hệ thống Tàu đệm từ trường đủ khả cung cấp vận chuyển hàng hóa, hành khách tương lai, giải vấn đề tắt nghẽn giao thông Với độ tin cậy cao, hệ thống tàu đệm từ trường thay chuyến bay ngắn qua lại thành phố 3.2 Máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào năm 1946 sở vật lý quan trọng cho phát triển máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI MRI (Magnetic Resonance Imaging) loại máy sử dụng nam châm siêu dẫn có từ trường đủ mạnh nguyên tử hydro bên chất béo người phân tử nước tăng lên mức lượng đo dụng cụ đặc biệt Dùng y học (quét ảnh cách đo tiếng dội lại âm thanh) để khám phá mô thể người Khi bác sĩ cần kiểm tra diễn thể người bệnh, họ phải đặt vào thể nguồn từ trường mạnh có nguồn gốc siêu dẫn Bằng cách nguyên tử hiđrô có nước mỡ buộc phải chấp nhận lượng từ trường Sau đó, nguyên tử hiđrô giải phóng lượng theo tần số mà máy tính nhận biết vẽ nên biểu đồ Hình: máy chụp ảnh cộng hưởng MRI 13 Công nghệ MRI đời vào năm 1940 thử nghiệm lần người vào năm 1977 Và đến nay, kỹ thuật tạo ảnh cộng hưởng từ (MRI) trở thành phương pháp phổ thông y học chẩn đoán hình ảnh MRI thường tốt kỹ thuật hình ảnh khác cải thiện đáng kể độ xác việc chẩn đoán nhiều bệnh Nó thay số phương pháp kiểm tra theo kiểu đưa thiết bị vào thể, giảm đau đớn, rủi ro bất tiện cho nhiều bệnh nhân Ảnh cấu trúc mô mềm thể tim, phổi, gan quan khác rõ chi tiết so với ảnh tạo phương pháp khác Sự chi tiết làm cho MRI trở thành công cụ vô giá chẩn đoán thời kì đầu việc đánh giá khối u thể Tạo ảnh MRI không gây tác dụng phụ tạo ảnh chụp X quang thường quy chụp CTMRI, cho phép dò điểm bất thường ẩn sau lớp xương mà phương pháp tạo ảnh khác khó nhận MRI cung cấp nhanh chuẩn xác so với tia X việc chẩn đoán bệnh tim mạch Không phát xạ gây nguy hiểm cho người Tuy nhiên, có nhược điểm bệnh nhân phải tiêm kim loại từ mang máy điều hoà nhịp tim kiểm tra MRI MRI có trường từ tính mạnh Kể từ MRI mang lại hình ảnh chiều, bác sĩ nắm thông tin địa điểm thương tổn Những thông tin có giá trị trước phẫu thuật, chẳng hạn tiểu phẫu não Hiện nay, nhóm Korean Superconductivity Group nâng công nghệ MRI lên tầng cao với phát triển thiết bị SQUID (máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn) Thiết bị cảm nhận thay đổi nhỏ từ trường, nhỏ phần tỉ lần lực để di chuyển kim compa Với công nghệ này, bác sĩ thăm dò thể người đến mức độ định mà không cần sử dụng từ trường mạnh công nghệ MRI Cảm biến từ trường siêu nhạy cho phép nghiên cứu não dễ dàng 3.3 Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát triển ngành điện đại, điện vật lí, vật lí lượng cao, tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao y học nhiều ngành khoa học kỹ 14 thuật khác, có không sử dụng rộng rãi thiết bị ứng dụng tượng siêu dẫn Một ứng dụng quan trọng khác tạo máy gia tốc mạnh để nghiên cứu đặc tính gốc nguyên tử Máy gia tốc hạt (máy gia tốc hạt nhân, máy gia tốc hạt bản) thiết bị sử dụng lượng bên truyền cho hạt nhằm tăng vận tốc lượng hạt chuyển động Người ta dùng nam châm cực mạnh để bẻ cong chùm hạt, làm cho chúng chạy theo đường tròn va đập vào nhau, qua nghiên cứu những"mảnh" sinh va đập mạnh Người ta gọi "siêu va đập siêu dẫn" Dựa theo nguyên tắc này, nhà khoa học Mỹ tiến hành xây dựng "máy gia tốc cực mạnh" đường hầm dài 88 km bang Texec để nghiên cứu hạt vật chất Máy gia tốc hạt chất siêu dẫn nhiệt độ cao Các máy gia tốc hạt có hai dạng: máy gia tốc thẳng cho hạt chuyển động theo đường thẳng đến mục tiêu va chạm chúng, hạt điện tích tăng tốc nhờ lực điện mạnh Máy gia tốc tròn hạt điện tích chuyển động theo quỹ đạo tròn từ trường có hướng vuông góc với vận tốc hạt Đồng thời nằm hộp hình tròn gồm hai nửa hộp rỗng hình chữ D nối vào hiệu điện xoay chiều Tất nằm chân không Khi đó, điện trường xoay 15 chiều hai hình D có tác dụng tăng tốc cho hạt trình chuyển động Vận tốc hạt ngày tăng lên với bán kính quỹ đạo Khi động hạt tăng lên đến giá trị đủ lớn người ta cho chùm bắn vào "bia" để tạo phản ứng hạt nhân Ở lượng thấp nhiều, máy gia tốc hạt sử dụng phổ biến y khoa Liệu pháp hạt sử dụng điều trị ung thư, sử dụng chùm proton lượng cao hạt khác 3.4 Cáp siêu dẫn Hiện nay, đường tải điện siêu dẫn nhiệt độ cao xây dựng số nước tiên tiến Mỹ, Nhật, …Tải điện cáp siêu dẫn có lợi lớn so với đường dây tải điện thông thường Có khả tải dòng lớn không bị hao tổn lượng trình truyền tải Truyền tải điện theo công nghệ siêu dẫn với bó cáp truyền dẫn gigawatt, tương đương với sản lượng nhà máy điện hạt nhân, nằm gọn đường ống với đường kính có feet chôn lòng đất Khi đặt vào cáp, sợi siêu dẫn hoạt động dây dẫn hoàn hảo, phải trì nhiệt độ cáp thấp nhiệt độ tới hạn Điều đòi hỏi hệ thống cáp làm lạnh liên tục nitơ lỏng, chất rẻ tiền an toàn với môi trường Hệ thống làm lạnh tiêu hao phần lượng từ dây cáp mức nhỏ nhiều so với lượng thất thoát điện sử dụng đường dây điện đồng Cáp siêu dẫn tải lượng điện nhiệt, lượng điện hiđrô lượng mặt trời, lượng lấy từ than đá lượng hạt nhân từ nguồn đến trung tâm dân cư sử dụng nơi tiêu thụ 16 Hình: cáp siêu dẫn Một hạn chế dây đồng truyền thống bị đốt nóng trình truyền tải điện năng, dẫn đến tiêu hao lượng Tuy nhiên, dây siêu dẫn nhà khoa học ĐH Tel Aviv phát triển truyền tải điện nhiều gấp 40 lần so với dây đồng kích thước không bị hấp thụ nhiệt Hình: dây siêu dẫn sapphire Dây siêu dẫn làm từ sợi tinh thể sapphire bao phủ hỗn hợp gốm Mỗi sợi dây dày sợi tóc người có khả truyền tải điện lớn Nhược điểm loại dây đòi hỏi phải làm lạnh để trì trạng thái siêu 17 dẫn Tuy nhiên nhược điểm xử lý hệ thống làm mát khép kín sử dụng nitơ lỏng rẻ tiền 3.5 Siêu máy tính Một siêu máy tính máy tính vượt trội khả tốc độ xử lý Siêu máy tính có tốc độ xử lý hàng nghìn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất nghìn tỷ phép tính/giây) hay tổng hiệu suất 6000 máy tính đại gộp lại (một máy có tốc độ khoảng – 3,8 gigaflop) Có thể hiểu siêu máy tính hệ thống máy tính làm việc song song Máy tính nhanh đạt tốc độ “teraflop” Kỷ lục thuộc IBM Blue Gene/L với tốc độ 70.7 teraflop/giây Các máy tính sử dụng linh kiện chất siêu dẫn có ưu điểm: nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh Các mạch điện đóng mở nhanh tích nhỏ Trong máy tính siêu dẫn đường truyền vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn Công tắc siêu dẫn đóng mở pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn) Hình: Mô hình siêu máy tính 3.6 Máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn (SQUIDS) 18 Có thể sử dụng máy cộng hưởng từ nhiên không cần từ trường mạnh Họ xác định thay đổi từ trường nhỏ Và sử dụng cho trường hợp xác định cách xác chuyển động Hình: máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn 19 3.7 Màn chắn từ thiết bị dẫn sóng Dựa hiệu ứng Meissner, chất siêu dẫn đẩy đường từ thông khỏi nó, người ta sử dụng để tạo nên vùng từ trường tạo thành vùng có dạng từ trường khác Các chất siêu dẫn phun thành plasma với hình dạng phức tạp Đó tiến đề cho việc dùng chất siêu dẫn tường chắn sóng micro; làm chắn chống lại vụ nổ hạt nhân làm chắn loại sóng điện từ khác không gian trước vào Trái Đất Nhiều ứng dụng quan trọng lĩnh vực bảo vệ máy tính công nghệ thông tin Sử dụng chắn chất siêu dẫn tường bảo vệ thông tin hội thoại 3.8 Động siêu dẫn Người ta chế tạo động siêu dẫn dựa sở hiệu ứng Meissner Tính chất môtơ siêu dẫn gây nên đẩy đường từ thông Khi nam châm gần đạt đến trạng thái siêu dẫn, chất siêu dẫn đẩy Sức đẩy dùng để lái roto motor điện Các motor siêu dẫn rắn có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường Sự dòng motor siêu dẫn ước tính giảm cỡ 50% so với motor thường Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng lĩnh vực sản xuất ôtô, loại máy bơm, máy quạt, máy khí, máy nghiền phương tiện khác 3.9 Một số ứng dụng khác Trong hệ tin học điều khiển truyền thông tin cáp quang máy tính quang điện hệ mới, người ta chế tạo sử dụng loại thiết bị công tắc quang học từ chất siêu dẫn nhiệt độ cao Công tắc nhỏ, gọn, nhẹ, điều khiển xác, bền có độ nhạy cao Thời gian điều khiển cực nhanh Khả ứng dụng chất siêu dẫn vào sống đa dạng hữu ích như: Ăng-ten mini, bom E, bình trích trữ lượng từ siêu dẫn, bệ phóng điện từ, tách chiết từ, hệ thống từ thủy lực, máy lạnh từ, biến siêu dẫn, máy phát điện siêu dẫn, động siêu dẫn, tàu thủy siêu dẫn, thiết bị dò sóng milimet, chắn từ thiết bị dẫn sóng, lò phản ứng nhiệt hạch từ,… Tuy nhiên, khoảng 20 cách khám phá việc ứng dụng vào khoa học đời sống lớn Vì vậy, ứng dụng tượng siêu dẫn chưa phổ biến Và việc nghiên cứu mở rộng hướng ứng dụng vật liệu siêu dẫn nhiều nhà khoa học quan tâm Hình: Máy phát điện siêu dẫn Hình: Bộ lọc sóng micro siêu dẫn nhiệt độ cao 21 C KẾT LUẬN Chúng ta thấy tượng siêu dẫn mang đến cho khoa học đời sống ứng dụng to lớn rộng rãi Ngày khoa học kĩ thuật 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 không 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 Để ứng dụng rộng rãi tượng siêu dẫn người ta tìm vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao điều kiện sử dụng Nitơ lỏng Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao chủ yếu hợp chất mở nhiều hướng nghiên cứu Nhiều ứng dụng vật liệu siêu dẫn có vai trò quan trọng sống như: tàu đệm từ, máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, siêu máy tính, cáp siêu dẫn,… Hi vọng tương lai vật liệu siêu dẫn ứng dụng rộng rãi mang lại nhiều lợi ích cho đời sống người 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thân Đức Hiền (2008), Nhập môn siêu dẫn (vật liệu, tính chất ứng dụng), Nhà xuất bách khoa, Hà Nội [2] Nguyễn Huy Sinh (1994), Vật lí siêu dẫn, NXB Giáo dục [3] http://html.khkt.net/t18726-Nano-Cong-nghe-hien-tai-cho-tuong-lai.html [4].http://khoahoc.com.vn/congnghemoi/phat-minh/vietnam/8323_Che_tao_thanh_cong_may_tuyen_tu_nam_cham_dat_hiem.aspx [5].http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Chat-sieu-dan-Vat-chat-cua-the-ki21/20360933/195/ [6].http://vietbao.vn/Khoa-hoc/Lo-phan-ung-nhiet-hach-nang-luong-cua-tuonglai/20038429/195 [7].http://www.onthi.com/co-the-ban-chua-biet/the-nao-la-vat-lieu-sieudan_426.html 23 [...]... 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 Để có thể ứng dụng rộng rãi hiện tượng siêu dẫn người ta... những ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn chưa phổ biến Và việc nghiên cứu mở rộng hướng ứng dụng của vật liệu siêu dẫn đang được nhiều nhà khoa học quan tâm Hình: Máy phát điện siêu dẫn Hình: Bộ lọc sóng micro bằng siêu dẫn nhiệt độ cao 21 C KẾT LUẬN Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời sống những ứng dụng hết sức to lớn và rộng rãi Ngày nay khoa học kĩ thuật đã và đang... sở của hiệu ứng Meissner Tính chất của các môtơ siêu dẫn là gây nên sự đẩy các đường từ thông Khi nam châm gần đạt đến trạng thái siêu dẫn, thì chất siêu dẫn sẽ đẩy nó Sức đẩy này dùng để lái roto trong motor điện Các motor siêu dẫn rất rắn chắc và có kích thước cỡ 1/3 kích thước motor thường Sự mất dòng trong motor siêu dẫn ước tính giảm đi cỡ 50% so với motor thường Motor siêu dẫn có nhiều ứng dụng. .. tìm ra vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao trong điều kiện sử dụng Nitơ lỏng Hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao chủ yếu trong hợp chất của đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới Nhiều ứng dụng của vật liệu siêu dẫn có vai trò quan trọng trong cuộc sống như: tàu đệm từ, máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI, siêu máy tính, cáp siêu dẫn, … Hi vọng trong tương lai vật liệu siêu dẫn sẽ được ứng dụng rộng rãi và mang lại nhiều... dạng và hữu ích như: Ăng-ten mini, bom E, bình trích trữ năng lượng từ siêu dẫn, các bệ phóng điện từ, tách chiết từ, hệ thống từ thủy lực, máy lạnh từ, biến thế siêu dẫn, máy phát điện siêu dẫn, động cơ siêu dẫn, tàu thủy siêu dẫn, thiết bị dò sóng milimet, màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng, lò phản ứng nhiệt hạch từ,… Tuy nhiên, khoảng 20 cách giữa các khám phá và việc ứng dụng nó vào trong khoa học và. .. chất siêu dẫn như các bức tường chắn sóng micro; làm màn chắn chống lại các vụ nổ hạt nhân và làm màn chắn các loại sóng điện từ khác trong không gian trước khi đi vào Trái Đất Nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực bảo vệ máy tính và công nghệ thông tin Sử dụng các màn chắn bằng chất siêu dẫn như bức tường bảo vệ các thông tin và hội thoại 3.8 Động cơ siêu dẫn Người ta chế tạo các động cơ siêu dẫn. .. nghiền và các phương tiện khác 3.9 Một số ứng dụng khác Trong các hệ tin học điều khiển truyền thông tin bằng cáp quang và các máy tính quang điện thế hệ mới, người ta chế tạo và sử dụng các loại thiết bị công tắc quang học từ chất siêu dẫn nhiệt độ cao Công tắc này nhỏ, gọn, nhẹ, điều khiển chính xác, bền và có độ nhạy cao Thời gian điều khiển cực nhanh Khả năng ứng dụng của chất siêu dẫn vào cuộc... tỷ phép tính/ giây) hay bằng tổng hiệu suất của 6000 chiếc máy tính hiện đại nhất hiện nay gộp lại (một máy có tốc độ khoảng 3 – 3,8 gigaflop) Có thể hiểu siêu máy tính là hệ thống những máy tính làm việc song song Máy tính nhanh nhất hiện nay mới chỉ đạt được tốc độ “teraflop” Kỷ lục hiện nay thuộc về IBM Blue Gene/L với tốc độ 70.7 teraflop/giây Các máy tính sử dụng linh kiện bằng chất siêu dẫn có... nhỏ, nhẹ, nhanh, cấu hình mạnh Các mạch điện đóng mở nhanh và có thể tích nhỏ Trong các máy tính siêu dẫn các đường truyền là các vi mạch siêu dẫn nối với thiết bị bán dẫn Công tắc siêu dẫn chỉ đóng mở trong 6 pico giây (nhanh gấp 10 lần công tắc bán dẫn) Hình: Mô hình siêu máy tính 3.6 Máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn (SQUIDS) 18 Có thể sử dụng như một máy cộng hưởng từ tuy nhiên không cần từ trường... như của công nghệ MRI Cảm biến từ trường siêu nhạy mới cho phép nghiên cứu não dễ dàng hơn 3.3 Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao Sự phát triển của ngành điện hiện đại, điện vật lí, vật lí năng lượng cao, tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển, công nghệ cao về y học và nhiều ngành khoa học kỹ 14 thuật khác, không thể có được nếu không sử dụng rộng rãi những thiết bị ứng dụng hiện tượng siêu dẫn