tính chất và ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn

Năm 1911, lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát hiện ra một đặc tính kì diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định tùy từng chất thì điện trở suất... Thời sơ khai này, người

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 hiện : Nguyễn Cao Trúc Giang

Đặng Quang HiểnHoàng Thị Huyền

Lớp: Lý luận và Phương pháp dạy học Vật Lý Khóa: 24

Huế 4/2016

MỤC LỤC

Mục lục 2

A Mở đầu 3

B Nội dung 5

1 Vài nét về lịch sử phát triển của chất siêu dẫn 5

2 Vài nét về hiện tượng siêu dẫn 6

2.1 Khái niện hiện tượng siêu dẫn 6

2.2 Một số đặc tính của chất siêu dẫn 6

2.2.1 Tính chất điện trở của chất siêu dẫn 6

2.2.2 Tính chất từ của chất siêu dẫn 6

2.2.3 Tính chất nhiệt và môt số tính chất khác của chất siêu dẫn 7

a Tính chất nhiệt 7

b Khe năng lượng Nhiệt dung của chất siêu dẫn 7

c Một số tính chất khác 8 3 Ứng cụng của hiện tượng siêu dẫn 8 3.1 Tàu chạy trên đệm từ 10

3.2 Máy chụp ảnh cộng hưởng từ MRI 12

3.3 Máy gia tốc hạt bằng 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 và thiết bị dẫn sóng 19

3.8 Động cơ 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 đã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ và khi nhiệt độ giảm thì điện trở suất cũng giảm theo Tuy nhiên không phải đa số các vật liệu đều

có tính chất này

Năm 1911, lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát hiện ra một đặc tính kì diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định (tùy từng chất) thì điện trở suất

của vật liệu bằng không Khi đó vật chất dẫn điện với tính năng hoàn toàn không

có điện trở, gọi là chất siêu dẫn Thời sơ khai này, người ta mới biết một đặc tính

của chất siêu dẫn, đó là: nếu cho dòng điện vào một mạch làm bằng chất liệu siêudẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi mà không suy giảm, vì nó không gặp mộttrở kháng nào trên đường đi, nghĩa là năng lượng điện không bị tiêu hao trong quátrình truyền tải điện từ nơi này đến nơi khác Đó là hiện tượng siêu dẫn, một trongnhững điều huyền bí lớn nhất trong khoa học Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở

ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn

Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta con phát hiện thấy, với chất siêu dẫn từ trườngbên trong nó luôn bằng không và hiện tượng xuyên ngầm lượng tử,…

Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kĩ thuật nghe nhìn công nghệ cao vìchúng không có điện trở Về nguyên tắc khi dòng điện bắt đầu chạy trong mộtvòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy mãi Cùng kích thước, chất siêu dẫn mangmột lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn Điều quan trọng là chấtsiêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng Điều này đồng nghĩa với một máyphát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với hiệnnay

Với các đặc tính nêu trên, các chất siêu dẫn đã được ứng dụng trong nhiều lĩnhvực điện, điện tử…Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã được chế tạo Vídụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán chínhxác bệnh tật trong con người, không thể không sử dụng cuộn dây tạo từ trườngbằng dây siêu dẫn…Nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêudẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, chế tạo ra các dụng

cụ bán dẫn, thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh với việc phát minh ra điện.Hiện tượng siêu dẫn đã mang đến một sức hút kì lạ cho những ai biết đến và mongmuốn khám phá nó bởi những ứng dụng hết sức rộng rãi và kì diệu

Vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài “Tính chất và ứng dụng của hiện tượng siêudẫn” với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề này, nhanh

chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng siêudẫn

Hy vọng đề tài sẽ là một tư liệu bổ ích cho tất cả các bạn có mong muốn tìmhiểu thêm về ứng dụng của vật liệu siêu dẫn

B NỘI DUNG

1 Vài nét về lịch sử phát triển của chất siêu dẫn

Năm 1908, Kamerlingh Onnes đã hóa lỏng được khí Heli lần đầu tiên trên thếgiới tạo tiên đề cho sự phát minh ra siêu dẫn Năm 1911, nhà vật lý học người HàLan Maoneis khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân, đã phát hiện ra hiện tượngsiêu dẫn khi quan sát điện trở của thủy ngân đột ngột giảm về không ở dưới nhiệt

độ phát hiện mới lạ này đã thu hút sự quan tâm chú ý của giới khoa học Năm

1914, hiện tượng dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn đã được phát hiện vàKamerlingh Onnes đã chế tạo được nam châm siêu dẫn Năm 1930, hợp kim siêudẫn đã được tìm ra nhằm nâng cao dòng điện tới hạn và từ trường tới hạn của nó.Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld đã công bố rằng: chất siêu dẫn khi làm lạnhtrong từ trường dưới nhiệt độ chuyển pha thì các đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoàigọi là hiệu ứng Meissner Về lý thuyết, năm 1957 Barden, Cooper và Schriffer đãđưa ra lý thuyết vi mô, được gọi là lý thuyết BCS đã giải thích được tất cả các tínhchất cơ bản của chất siêu dẫn

Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985, các chất siêu dẫn được tìmthấy đều có nhiệt độ chuyển pha không vượt quá và chất lỏng vẫn là môi trườngduy nhất để nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn Nhưng đến năm 1986, J.G.Bednorz vàK.A.Muller đã tìm ra hiện tượng siêu dẫn trong hợp chất gốm với nhiệt độ chuyểnpha nằm trong vùng nhiệt độ nitơ lỏng Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn bắt đầu mộthướng mới – đó là siêu dẫn nhiệt độ cao Nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc trongquá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn

Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học của Trườngđại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiệntrong khoảng gần hai chục năm qua Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằngnitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền

2 Vài nét về hiện tượng siêu dẫn

2.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn

Siêu dẫn là một trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nócho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở Và khi đặt siêudẫn vào trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó

Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đột ngộtgiảm về 0 ở một nhiệt độ xác định.

Trạng thái của vật ở vùng nhiệt độ có điện trở bằng không gọi là trạng thái siêudẫn và trạng thái của vật ở vùng nhiệt độ có điện trở khác không gọi là trạng tháidẫn thường Nhiệt độ là nhiệt độ chuyển từ trạng thái dẫn thường sang trạng tháisiêu dẫn hay ngược lại gọi là nhiệt độ tới hạn (hay nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn).Trên thực tế không phải ở một giá trị mà ở một khoảng nhiệt độ rất hẹp gọi là độrộng chuyển pha siêu dẫn

2.2 Một số đặc tính của chất siêu dẫn

2.2.1 Tính chất điện trở của chất siêu dẫn

Điện trở của tất cả các kim loại và hợp kim giảm xuống khi bị làm lạnh Vớinhững kim loại hoàn toàn sạch nhiệt độ giảm về thì điện trở biến mất gọi là vậtliệu siêu dẫn Còn những kim loại có chứa tạp chất thì điện trở dư được duy trì ởnhiệt độ rất thấp

xoáy từ Độ dẫn nhiệt trong trạng thái siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng tháithường Độ dẫn nhiệt của vật liệu siêu dẫn giảm mạnh trong vùng nhiệt độ thấp.Như vậy, các điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt Tính chất này

đã được áp dụng để chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn trong kỹ thuật nhiệt độthấp

Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta quan sát thấy độ dẫnnhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ

Để tính toán sự truyền nhiệt trong chất siêu dẫn cần phải xác định dòng tới hạn.Đặc trưng sự trở lại của điện trở do sự truyền nhiệt là sự xuất hiện hoàn toàn củađiện trở thường khi dòng điện vượt quá dòng tới hạn Kết quả vùng thường lanrộng chiếm toàn bộ mẫu và trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ

b Khe năng lượng Nhiệt dung chất siêu dẫn

Điểm đặc trưng quan trọng nhất của vật ở trạng thái siêu dẫn là năng lượng kíchthích của một cặp electron có xung lượng và spin ngược chiều nhau để chuyển cặpelectron từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường luôn luôn lớn hơn một giớihạn nào đó Đại lượng này là năng lượng cần thiết bé nhất để phá vỡ liên kết mộtcặp electron có xung lượng và spin ngược chiều nhau và chuyển chúng từ trạngthái siêu dẫn sang trạng thái thường Độ lớn của gọi là bề rộng của khe năng lượngtrong lí thuyết siêu dẫn, với là khoảng cách từ mức năng lượng của kích thích đơnhạt thấp nhất đến mức cơ bản trong trạng thái siêu dẫn Giữa hai mức năng lượngnày không có một mức năng lượng nào khác của electron Ta nói có một khe nănglượng

Nhiệt dung của một chất thường bao gồm sự đóng góp của phonon và điện tử.Thực nghiệm cho thấy rằng: tại điểm chuyển pha từ trạng thái thường sang trạngthái siêu dẫn nhiệt dung có bước nhảy Các giá trị đo nhiệt dung của mạng cho thấy

ở cả hai trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường, phần nhiệt dung của mạng làkhông đổi Như vậy, sự thay đổi nhiệt dung toàn phần ở trạng thái siêu dẫn chỉ dođóng góp của điện tử

c Một số tính chất khác

Tính chất siêu dẫn của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nhiệt độ tới hạn củacác chất siêu dẫn thay đổi theo khối lượng đồng vị: Với là giá trị thực nghiệmtùy thuộc vào vật liệu

Nhiệt độ chuyển pha và từ trường tới hạn của chất siêu dẫn đều tìm được bằngthực nghiệm với các giá trị sai lệch chút ít nếu vật liệu chịu áp suất Nhiều tínhchất cơ học của các trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường về mặt nhiệt động lựchọc đều liên quan đến năng lượng tự do của các trạng thái đó Thông thường, độlớn từ trường tới hạn phụ thuộc vào sự chênh lệch của năng lượng tự do giữa haitrạng thái Tính chất cơ học của cùng vật liệu ở trạng thái siêu dẫn và trạng tháithường là khác nhau

Chất siêu dẫn không thay đổi kích thước khi chuyển pha trong từ trường bằng 0.Tuy nhiên, có sự xuất hiện từ giảo nhỏ trong trạng thái siêu dẫn ở những nhiệt độthấp hơn và có sự thay đổi đột ngột về kích thước khi mẫu trở về trạng thái thườngdưới tác dụng của từ trường Điều này cho thấy tính dị hướng của tinh thể

3 Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn

Sau khi Kamerlingh Onnes khám phá ra hiện tượng siêu dẫn, các nhà khoa học

đã bắt đầu tìm kiếm các ứng dụng của hiện tượng mới này Các nam châm siêu dẫnmạnh có thể làm nhỏ hơn so với các nam châm điện thông thường, bởi vì các cuộndây có thể mang dòng dẫn lớn mà không mất năng lượng do đó cần công suất nhỏhơn nam châm điện thông thường Các vòng dây ở các máy phát điện được làmbằng chất siêu dẫn có thể sinh ra cùng một lượng điện năng nhưng với các thiết bịnhỏ hơn một máy phát thông thường Trước khi điện năng sinh ra, nó có thể phân

bố qua các cuộn dây siêu dẫn, năng lượng được tích trữ trong các cuộn dây với mộtchu kỳ dài mà không mất đi ý nghĩa Khám phá gần đây của các chất siêu dẫn nhiệt

độ cao mang lại cho chúng ta các bước tiến khổng lồ để tiếp cận với các nghiêncứu của các nhà khoa học trước kia Các ứng dụng hiện tại của các chất siêu dẫnnhiệt độ cao bao gồm: Các dụng cụ chắn từ, các hình ảnh xét nghiệm y khoa, các

thiết bị giao thoa lượng từ siêu dẫn (SQUIDs), các cảm biến hồng ngoại, thiết bị xử

lý tín hiệu tương tự và các thiết bị vi sóng

Khi sự hiểu biết của chúng ta về các tính chất của vật liệu siêu dẫn tăng lên, cácứng dụng như: sự truyền điện năng bằng dây siêu dẫn, các nam châm siêu dẫntrong các máy phát, thiết bị dự trữ năng lượng, máy gia tốc hạt, đoàn tàu đượcnâng lên bằng từ, máy quay và máy tách từ trở nên được ứng dụng rộng rãi Người

ta cũng có thể nghĩ đến những năng lượng điện lớn được phân phối, khi dungnhững đường dây tải làm bằng siêu dẫn, hoặc tốt hơn nữa dung dây cáp ngầm, vàcắt hẳn được sự hao phí do tỏa nhiệt trên dây dẫn Chúng ta có thể thực hiện được

sự bó chặt các linh kiện điện tử, với một mật độ cao nhất, bằng cách chế tạo mọiliên thông trên một chip silic siêu dẫn-mật độ xếp của các mạch lôgisc sánh đượcmật độ với các mạch của con người là có thể thực hiện được Kết quả là một chipnhư vậy có thể truyền tải thông tin với tốc độ nhanh hơn rất nhiều Hiện tượng siêudẫn còn được ứng dụng để thiết kế các biến điệu, chỉnh lưu trước hết dùng các cầuthu dao động biến điệu tần số cao, các dụng cụ đó hoạt động trên cơ sở sự khôngtuyến tính của điện tử siêu dẫn ở phạm vi chuyển tiếp Các chuyển mạch với đóngngắt không tiếp xúc, các thiết bị nhớ trong các thiết bị nghi nhớ cũng được chế tạodựa trên hiện tượng siêu dẫn Qua việc nghiên cứu các mối nối Josephson cơ bản,các nhà khoa học có thể chế tạo ra các máy dò vi sóng nhạy, các từ kế, các thiết bịgiao thoa lượng tử và nhiều nguồn thế hiệu ổn định Các nam châm siêu dẫn đóngvai trò chính trong các thành phần của một vài công nghệ Hình ảnh cộng hưởng từ(MRI) đóng vai trò như là sự đột phá trong chẩn đoán y học Các máy gia tốc hạtđược dung trong việc nghiên cứu vật lý năng lượng cao là rất lệ thuộc vào các namchâm siêu dẫn trong từ trường lớn Tuy nhiên, khoảng cách giữa các khám phá vàviệc ứng dụng nó vào trong khoa học và đời sống là rất lớn Ví dụ như việc phátminh ra tia lazer ở đầu những năm 60, mà mới chỉ được thông báo gần đây thôngqua các ứng dụng như phẫu thuật bằng tia lazer; máy khuếch đại lượng tử thông tinánh sáng và các máy ghi đĩa nén…Qua một thập kỷ khác nữa, có thể chúng ta cũngchưa mua được một cuộn dây siêu dẫn, hoặc leo lên một đoàn tàu nhanh , nângbằng từ, nhưng không có sự nghi ngờ chính đáng nào về các thứ ấy

Một số ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn trong các lĩnh vực:

+ Trong y học: Hình ảnh cộng hưởng từ ( MRI), kỹ thuật công nghệ y học,…+ Trong công nghiệp: Nam châm siêu dẫn, các cảm biến và máy biến năng,dụng cụ chắn từ,…

+ Trong điện học: SQUIDs, các transistor, sơ đồ liên kết điện, máy gia tốc, cáccảm biến,…

+ Trong năng lượng: Các máy phát, dự trữ năng lượng, sự truyền và phát sóng,

sự tổng hợp hạt nhân,…

+ Trong vận chuyển: Nâng các phương tiện bằng từ, sự chuyển động bằng lựcđẩy trên biển,…

3.1 Tàu chạy trên đệm từ

Kể từ khi khám phá ra hiện tượng siêu dẫn, có rất nhiều sự quan tâm đặc biệtdành cho những ứng dụng trong lĩnh vực điện từ Chuyển động trong từ trường làmột kỹ thuật vận chuyển giao thông mới, là công nghệ vận tải được phát minhtrong lĩnh vực đường sắt Tàu đệm từ là một phương tiện chuyên chở được nânglên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực điện từ Thực hiện phép nâng điện độnglực học bằng cách tạo ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm siêu dẫn đặt trêncon tàu và những cuộn dây lắp trong đường ray hình chữ U trên đó có lắp 3 cuộndây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn đặt dưới đất dọc đường tàu Namchâm siêu dẫn đặt trên tàu và đặt trong những bình chứa Helium đã hóa lỏng, ởnhiệt độ thấp , khi có dòng điện đi qua, sinh ra một từ trường khoảng (tesla) nângtàu bổng lên trong khung đường ray chữ Nhờ lực hút và lực đẩy xen kẽ giữa haicực Nam – Bắc của cuộn dây và nam châm, con tàu cứ thế tiến lên phía trước

Hệ thống tàu đệm từ trường có các đặc tính ưu điểm như sau: bởi vì không có sựtiếp xúc trực tiếp giữa đường ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu vàkhông khí Do đó, tàu đệm từ có khả năng di chuyển với vận tốc rất cao, tiêu tốn

ít năng lượng Các hệ thống đã được đề nghị có thể hoạt động với vận tốc lên đến

650 km/h, nhanh hơn nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống Tốc độ rất cao của tàuđệm từ làm cho chúng có thể cạnh tranh với các đường bay dưới Dù di chuyểnvới tốc độ cao, nhưng lại rất an toàn vì tàu điện luôn được bao bọc trong từ trườngnên ít có khả năng trật đường ray Việc nâng tàu lên khỏi đường ray đảm bảokhông va chạm với các chướng ngại vật và giảm tiếng ồn Không xả khí vào môitrường như 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 thế hệ mới chạytrên đệm từ trường đạt tới vận tốc và dự tính đưa vào hoạt động từ năm 2027 Tàu

Series L0 sẽ nối liền ga Shinagawa ở trung tâm Tokyo với Nagoya Thông thường,phải mất 90 phút để di chuyển giữa hai địa điểm này bằng tàu cao tốc Shinkansen,nhưng tàu đệm từ Maglev mới sẽ giúp giảm thời gian di chuyển xuống còn 40phút Được biết, tàu đệm từ siêu tốc gồm 16 khoang, có thể chở được khoảng1.000 hành khách Đặc biệt, loại tàu đệm từ mới không có bánh xe nên loại bỏđược lực cản ma sát, giúp tàu di chuyển nhẹ nhàng ở tốc độ cao nhờ lực hút đệm từtrên đường ray Công ty JR Tokai cho biết, loại tàu mới sẽ ít gây ô nhiễm và thânthiện với môi trường hơn Mũi tàu nhọn giống các phiên bản Maglev khác, giúpgiảm lực cản gió

Hình: tàu đệm từ siêu tốc Maglev mới của Nhật