BÁO cáo CUỐI kỳ đề tài siêu dẫn (superconductivity) và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ================== BÁO CÁO CUỐI KỲ Đề tài: “Siêu dẫn (superconductivity) ứng dụng” Sinh viên: Trần Đức Giảng Trần Như Bảo Khánh Hà Xuân Huy Người hướng dẫn: TS Phan Trần Đăng Khoa Đà Nẵng, Ngày 02 Tháng 12 năm 2020 MỤC LỤC Giới thiệu phân công nhiệm vụ Lý thuyết Ứng dụng Kết luận Tài liệu tham khảo Phân công nhiệm vụ Hà Xuân huy: Làm slides Trần Đức Giảng: Làm báo cáo, tìm kiếm tài liệu tham khảo Trần Như Bảo Khánh: Làm báo cáo, chỉnh sửa slides báo cáo Lời mở đầu Đề tài “siêu dẫn (superconductivity) ứng dụng tài liệu này, chúng em trình bày vài nét trình lịch sử phát chất siêu dẫn, lý thiếu 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, ứng dụng siêu dẫn công nghệ đại LÝ THUYẾT Siêu dẫn (superconductivity) ứng dụng I Hiện tượng siêu dẫn Khái niệm tượng siêu dẫn - Siêu dẫn trạng thái vật lý 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 2 Điện trở không - Về nguyên tắc, nhiệt độ chuyển pha, điện trở chất siêu dẫn xem hoàn toàn biến Bởi điện trở nhiều chất trạng thái siêu dẫn nhỏ độ nhạy mà thiết bị đo cho phép ghi nhận Nhiệt độ tới hạn rộng chuyển pha - Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở chất đột ngột biến mất, nghĩa chất cho phép dòng điên chạy qua trạng thái khơng có điện trở, trạng thái gọi trạng thái siêu dẫn Chất có biểu trạng thái siêu dẫn gọi chất siêu dẫn - Nhiệt độ mà điện trở hồn tồn biến gọi nhiệt độ tới hạn nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu TC) Có thể hiểu nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn nhiệt độ mà chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn - Khoảng nhiệt độ từ điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến không gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu ∆T) Ví dụ độ rộng chuyển pha Hg ∆T = 5.10-2 K Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào chất vật liệu siêu dẫn II Các vật liệu siêu dẫn 2.1:vài nét lịch sử phát chất siêu dẫn LỊCH SỬ CỦA SIÊU DẪN: -Năm 1911, lần nhà khoa học phát vật chất dẫn điện với tính hồn tồn khơng có điện trở, gọi chất siêu dẫn -Đến tháng 1/1986 Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller Georg Bednorz tình cờ phát chất gốm mà yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại Chất gốm trở nên siêu dẫn nhiệt độ 35 độ K -Cho đến nay, nhiệt độ cao đạt với chất gốm siêu dẫn 125 độ K 2.2:Tính chất từ 2.2.1:Tính nghịch từ vật dẫn lí tưởng -Nghịch từ chất khơng có moment từ (tổng vector từ quỹ đạo từ spin toàn điện tử 0) khí ion có lớp electron giống khí Khi đặt vào từ trường ngoài, phân tử xuất dòng điện phụ tạo từ trường phụ ngược chiều từ trường theo xu hướng cảm ứng điện từ Hiện tượng moment từ sinh có chiều ngược với chiều từ trường sinh nó, xem kết định luật Lenz mức độ nguyên tử Nghịch từ tính chất nguyên tử Nhưng nguyên tử có moment lưỡng cực từ nội hiệu ứng nghịch từ bị che tính thuận từ sắt từ mạnh 2.2.2:tính thuận từ -Thuận từ chất có từ tính yếu Thuận từ thể khả hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi, có nghĩa chất có moment từ nguyên tử (nhưng giá trị nhỏ) Trái ngược với nghịch từ, có tác dụng từ trường ngoài, moment từ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ tổng cộng chất tăng lên Nếu điều kiện lí tưởng, tất moment lưỡng cực từ hướng theo từ trường Tuy nhiên trình xếp bị nhiễu loạn mạnh chuyển động nhiệt Sự va chạm nguyên tử khiến nguyên tử định hướng xong thành chưa định hướng Vì vậy, đặt mẫu từ trường ngồi, có moment từ nhỏ nhiều so với moment cực đại 2.2.3:tính sắt từ -Sắt từ chất có từ tính mạnh, hay khả hưởng ứng mạnh tác dụng từ trường ngoài, mà tiêu biểu sắt (Fe), tên gọi "sắt từ" đặt cho nhóm chất có tính chất từ giống với sắt Các chất sắt từ có hành vi gần giống với chất thuận từ đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi Tính sắt từ dùng để thuộc tính (từ tính mạnh) chất sắt từ 2.2.:hiệu ứng Meissner -Hiệu ứng Meissner (hay hiệu ứng Meissner nhận Ochsenfeld ) trục xuất từ trường khỏi chất siêu dẫn trình chuyển sang trạng thái siêu dẫn Thí nghiệm lần chứng minh chất siêu dẫn không chất dẫn hồn hảo cung cấp đặc tính xác định trạng thái siêu dẫn Khả cho hiệu ứng trục xuất xác định chất trạng thái cân hình thành trung hòa tế bào đơn vị chất siêu dẫn Một chất siêu dẫn có khơng có từ trường bên cho trạng thái Meissner Trạng thái Meissner bị phá vỡ từ trường ứng dụng lớn 2.2.3:Từ trường tớ hạn -Dưới tác dụng từ trường làm cho trạng thái siêu dẫn → trạng thái thường Giá trị xác định từ trường (Hc) (hay giá trị xát định làm trạng thái siêu dẫn) gọi từ trường tới hạn (hay từ trường tới hạn nhiệt động): Với H0 từ trường T = T = T c Hc(Tc) = Đường cong Hc phụ thuộc T gọi đường cong ngưỡng Đường ranh giới phân chia trạng thái siêu dẫn trạng thái thường Bên đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn bên ngồi trạng thái thường 2.2.4:Dịng tớ hạn -Dịng cực đại đạt dược trạng thái siêu dẫn gọi dòng tới hạn - Ic Năm 1913, Kamerlingh Onnes: Nếu dây siêu dẫn có dịng điện I lớn dịng tới hạn Ic chạy qua trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ Đó hiệu ứng dòng tới hạn năm 1916 Silsbee: Vai trò định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường hiệu ứng dịng tới hạn khơng phải thân dòng lớn I gây mà từ trường dịng I sinh dây dẫn phá vỡ trạng thái siêu dẫn Thực nghiệm dây siêu dẫn trịn có đường kính a, dịng dây siêu dẫn I > Ic mối quan hệ từ trường tới hạn đại lượng I a là:Hc= công thức Silsbee Ngồi khái niệm dịng tới hạn (Ic) thơng thường, người ta dùng khái niệm mật độ dòng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn (Đơn vị A/cm2) Các dòng chất siêu dẫn chạy bề mặt bên đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ vài giá trị Ja bề mặt Trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ mật độ dòng siêu dẫn vượt giá trị xác định, giá trị mật độ dịng tới hạn Jc Có hai đóng góp vào dịng điện chạy bề mặt chất siêu dẫn Dòng điện chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên pin, acquy gọi “dịng truyền” ( truyền điện tích vào khỏi dây) Nếu dây dẫn đặt từ trường, dòng chắn bao quanh để hủy đường từ thông bên kim loại Các dòng chắn chồng lên dòng truyền nhiểu điểm, mật độ dịng xem tổng thành phần , dòng truyền thành phần làm tăng lên từ dòng chắn: = + Có thể dự đốn siêu dẫn bị phá vỡ độ lớn tổng mật độ dòng điểm vượt mật độ dòng tới hạn Phương trình London biểu diễn mối liên hệ mật độ dòng siêu dẫn điểm mật độ từ thơng điểm đó: H= Nếu tổng dòng điên chạy chất siêu dẫn đủ lớn mật độ dịng bề mặt đạt đến giá trị tới hạn J c độ lớn từ trường tham gia bề mặt có giá trị Hc Ngược lại Điều dẫn đến giả thuyết chung: “Chất siêu dẫn bị điện trở không mà tổng độ lớn từ trường dòng truyền từ trường đặt vào vượt độ lớn từ trường tới hạn Hc điểm bề mặt nó” Giá trị cực đại dịng truyền dọc theo nguyên tố siêu dẫn không điện trở dịng tới hạn ngun tố Nếu khơng có từ trường đặt vào, mà có từ trường sinh dịng truyền, dịng tới hạn sinh độ lớn từ trường tới hạn Hc bề mặt vật dẫn (công thức giả thuyết Silsbee) Như vậy, độ lớn Hc phụ thuộc vào to, giảm to tăng lên trở thành Tc Điều chứng minh Jc phụ thuộc vào to theo cách giống 2.2.5:Mối liên hệ dòng tới hạn từ trường tới hạn -Xét dây dẫn hình trụ có bán kính a dịng điện chạy qua i Nếu khơng có từ trường ngồi, dịng điện I sinh từ trường bề mặt dây dẫn với độ lớn Hi tuân theo phương trình sau: I=2πaHi Dòng tới hạn tương ứng là: ic =2πaHi Hệ thức xác định cách đo dòng cực đại dây siêu dẫn Kết thực nghiệm cho thấy rằng: trường hợp khơng có từ trường ngồi, phương trình tiên đốn xác giá trị ic Trong từ trường yếu khơng có từ trường giá trị dịng tới hạn chất siêu dẫn cao 2.2.6:Từ trễ -Từ trễ (tiếng Anh: magnetic hysteresis) tượng bất thuận nghịch trình từ hóa đảo từ vật liệu sắt từ khả giữ lại từ tính vật liệu sắt từ Hiện tượng từ trễ đặc trưng quan trọng dễ thấy chất sắt từ Khi lõi thép bị từ hoá từ trường ngoài, triệt tiêu từ trường ngoài, lõi thép tồn từ trường, gọi từ dư Khi lõi thép có từ dư, ta áp từ trường ngồi có chiều ngược với chiều từ dư độ lớn B, từ trường lõi thép bị triệt tiêu Khi đó, B gọi từ trường kháng từ Đường cong kín hay chu trình từ trễ chất diễn tả phụ thuộc từ hố chất vào từ trường ngồi Hiện tượng từ trễ biểu thơng qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ trường, M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)), mô tả sau: sau từ hóa vật sắt từ đến từ trường bất kỳ, ta giảm dần từ trường quay lại theo chiều ngược, khơng quay trở đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà theo đường khác Và ta đảo từ theo chu trình kín (từ chiều sang chiều kia), ta có đường cong kín gọi đường cong từ trễ hay chu trình từ trễ Tính chất từ trễ tính chất nội đặc trưng vật liệu sắt từ, tượng trễ biểu khả từ tính chất sắt từ 2.3:Tính chất nhiệt 2.3.1:Sự lan truyền nhiệt siêu dẫn 2.3.2:Độ dẫn nhiệt chất siêu dẫn VẬT LIỆU =(K) Thủy ngân 4.15 Kẽm 0.85 Nhơm 0.19 Chì 7.19 2.3.3:Các hiệu ứng nhiệt điện -Hiệu ứng nhiệt điện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, chuyển nhiệt trực tiếp thành điện ngược lại, số kết nối hai vật dẫn điện khác Kết nối thường gọi cặp nhiệt điện Cụ thể, chênh lệch nhiệt độ hai bên kết nối sinh hiệu điện hai bên kết nối ngược lại Hiệu ứng sở cho ứng dụng số máy lạnh pin nhiệt điện, khơng có phận chuyển động Chú ý phân biệt hiệu ứng vật lý với từ nhiệt điện, phương pháp chuyển hóa nhiệt sang điện cách tổng quát, trực tiếp hay gián tiếp, sử dụng hệ thống có hay khơng có phận chuyển động 2.3.4:Chất siêu dẫn nhiệt độ cao - tính chất thực đáng ý vật liệu lượng tử siêu dẫn hoàn toàn điện trở điều kiện cụ thể khắc nghiệt Mặc dù có tiềm to lớn cho máy tính lượng tử máy dị có độ nhạy cao, việc ứng dụng chất siêu dẫn bị cản trở đặc tính có giá trị chúng thường có điều kiện nhiệt độ thấp áp suất cực cao 2.4:vật liệu từ 2.4.1:Vật liệu từ mền -Vật liệu từ mềm, hay vật liệu sắt từ mềm (tiếng Anh: Soft magnetic material) vật liệu sắt từ, "mềm" phương diện từ hóa khử từ, có nghĩa dễ từ hóa dễ khử từ Vật liệu sắt từ mềm thường dùng làm vật liệu hoạt động trường ngồi, ví dụ lõi biến thế, lõi nam châm điện, lõi dẫn từ 2.4.2:Vật liệu từ cứng -Vật liệu từ cứng vật liệu sắt từ, khó khử từ khó từ hóa Ý nghĩa tính từ "cứng" thuộc tính khó khử từ khó bị từ hóa, khơng xuất phát từ tính vật liệu từ III: ỨNG DỤNG SIÊU DẪN • • • • • • Chuyển tải điện Đoàn tàu chạy đệm từ Tạo Máy gia tốc mạnh Máy đo điện trường xác Cái ngắt mạch điện từ máy tính điện tử siêu tốc Máy quét MRI dùng y học  ... Bảo Khánh: Làm báo cáo, chỉnh sửa slides báo cáo Lời mở đầu Đề tài ? ?siêu dẫn (superconductivity) ứng dụng tài liệu này, chúng em trình bày vài nét trình lịch sử phát chất siêu dẫn, lý thiếu liên... 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, ứng dụng siêu dẫn công nghệ đại LÝ THUYẾT Siêu dẫn (superconductivity). .. (superconductivity) ứng dụng I Hiện tượng siêu dẫn Khái niệm tượng siêu dẫn - Siêu dẫn trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà cho phép dịng điện chạy qua trạng thái khơng có điện trở đặt siêu dẫn vào