Siêu dẫn và ứng dụng
Siêu dẫn và ứng dụng
Sinh viên : Lê Văn Lợi
Sinh viên : Lê Văn Lợi


K12 : Vật Lý
K12 : Vật Lý

Mục lục
Mục lục
•
1, Lịch sử
•
2, Tính chất điện của siêu dẫn
•
3, Tính chất từ của siêu dẫn
•
4, Tính chất nhiệt của siêu dẫn
•
5, Lý thuyết cơ bản về siêu dẫn
•
6, Lý thuyết vi mô về siêu dẫn
•
7, Sơ lược về siêu dẫn nhiệt độ cao
•
8, Ưngs dụng của siêu dẫn và vật liệu siêu dẫn

Lịch sử
Lịch sử
•
Có thể nói việc hoá lỏng helium là tiền đề
cho sự phát minh ra siêu dẫn. Năm 1908
Kamerlingh Onnes ( Hà Lan) đã hoá lỏng
đc Nitơ đầu tiên trên thế giới, năm 1911
chính ông khi nghiên cứu điện trở của Hg
đột ngột giảm về 0 khi nhiệt độ dưới 4,2K


•
Những năm sau đó một vấn đề liên quan đến
siêu dẫn được khám phá. Năm 1914 hiện tượng
dòng điện phá vỡ trạng thái siêu dẫn đã được
phát hiện và cùng năm đó Kamerlingh Onnes
chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm 1930
hợp kim siêu dẫn được tìm ra. Năm 1933
Meissner và Ochsenfeld đã công bố chất siêu
dẫn khi làm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha trong
từ trường thì đường cảm ứng từ bị đẩy ra ngoài.
Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Meissner


Về lý thuyết
Về lý thuyết
•
Năm 1957 Barden, Cooper và Shriffer đã đưa ra lý thuyết
vi mô, được gọi là lý thuyết BCS đã giải thích được tất cả

các tính chất cơ bản của chất siêu dẫn và lý thuyết này
đã nhận được giải Nobel năm 1972. Tuy nhiên lý thuyết
này chỉ giải thích được siêu dẫn nhiệt độ thấp, không còn
đúng với siêu dẫn nhiệt độ cao có thể cần 1 lý thuyết mới
hay mở rộng của BCS. Vấn đề này đang trở thành 1 đề
tài đầy hấp dẫn với các nhà khoa học.
•
Trong suốt khoảng thời gian từ năm 1911 đến 1985 các
chất siêu dẫn tìm ra đều có nhiệt độ chuyển pha dưới
24K và chất lỏng Heli vẫn là môi trường duy nhất được
dùng để nghiên cứu siêu dẫn.

•
Năm 1986 J.G Bednorz và K.A. Muller
( Thụy Sĩ) đã tìm ra tính siêu dẫn trong
hợp chất gốm La-Ba-Cu-O với nhiệt
chuyển pha nằm trong vùng Nito lỏng. Với
phát minh này 2 ông đã giành giải Nobel
Vật Lý năm 1987. Từ đây ngành siêu dẫn
đã mở ra 1 hướng mới đó là Vật Lý siêu
dẫn nhiệt độ cao mở ra một kỷ nguyên
mới, và cuộc chạy đua giữa các phòng thí
nghiệm

•
Vậy siêu dẫn là gì : là 1 trạng thái vật lý
phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn, nó cho
phép dòng điện chạy qua không có điện
trở và khi đặt chất siêu dẫn trong từ
trường từ trường bị đẩy ra khỏi nó


Bảng các nguyên tố là chất siêu
Bảng các nguyên tố là chất siêu
dẫn
dẫn



2.Tính chất điện của siêu dẫn
2.Tính chất điện của siêu dẫn
•
Điện trở của tất cả kim loại và hợp kim đều giảm
xuống khi làm lạnh. Dòng điện chạy trong vật
dẫn mang các điện tử dẫn những điện tử này
chuyển động tự do dưới dạng sóng. Có thể biểu
diễn qua trình truyền điện tử trong kim loại như
các sóng phẳng truyền theo một hướng. Do kim
loại có cấu trúc tinh thể với các nguyên tử nằm
trong mạng tuần hoàn nên các sóng phẳng có
thể truyền suốt cấu trúc tuần hoàn tinh thể mà
không bị tán xạ vào các hướng khác. Nói cách
khác vật dẫn có cấu trúc tinh thể hoàn hảo sẽ
cho dòng điện qua mà không bị một cản trở nào

cấu trúc tinh thể hoàn hảo
cấu trúc tinh thể hoàn hảo

•
Tuy nhiên trong mạnh tuần hoàn của tinh thể
thường có những khuyết tật. Những khuyết tật

này làm tán xạ sóng điện từ và do đó điện trở
sinh ra. Ngoài ra còn 2 hiệu ứng nữa sinh ra
điện trở đó là sự phá vỡ cấu trúc hoàn hảo do
tạp chất và dao động nhiệt.
•
Vậy điện trở của kim loại có 3 nguyên nhân
•
-sự sai hỏng mạng
•
-dao động nhiệt
•
-tạp chất

•
Những kim loại đáp ứng được cả 3 yếu tố
trên chỉ là giả thuyết. Đối với kim loại hoàn
toàn sạch điện trở chỉ do dao động nhiệt,
và có giá trị xấp xỉ 0 khi nhiệt độ tiến tới
0K. Nhưng đây không phải là siêu dẫn mà
là dẫn điện hoàn hảo


•
Làm thế nào để chứng minh chất siêu dẫn khi
làm lạnh dưới nhiệt độ chuyển pha thì sẽ có
điện trở thực sự bằng 0. Điều này đối với thực
nghiệm là không thể vì độ nhậy và chính xác
của thiết bị đo luôn có sai số. Nhưng ta có thể
kiểm tra bằng cách cho dòng điện vào ống dây
siêu dẫn dưới nhiệt độ chuyển pha ta có công

thức
•
i(t) =i(0).exp(-R/L)t
•


•
ta đo từ trường ở bên ngoài cuôn dây,
phép đo từ tròng không lấy đi năng lượng
của cuôn dây và ta có thể quan sát được
sự biết thiên của dòng điện theo thời gian
và ta xác định được điện trở của chất siêu
dẫn < 10^-26 Ωm. Từ giá trin này ta có thể
khẳng định điện trở của kim loại = 0.

•
Nhưng đối với dòng xoay chiều thì từ trường thay đổi và
một phần năng lượng bị tiêu tán trong siêu dẫn thì có 2
loại hạt tải điện là tải điện siêu dẫn và tải điện thường
như trong kim loại. Khi cho dòng 1 chiều không đổi chạy
qua thì chỉ có hạt tải điện siêu dẫn dẫn điện và không có
điện trường trong vật dẫn (nếu ko các siêu diện tử sẽ
tăng tốc liên tọc và tạo ra dòng điện vô hạn). Nếu không
có điện trường sẽ không có sự gia tốc các điện tử thường
như vậy sẽ ko có dòng điên thường. Khi đặt vào 2 đầu
vật siêu dẫn dòng điện sẽ tăng vô hạn theo lý thuyết trên
nhưng do điện trở nguồn nên ổn định ở 1 giá trị nào đó

3. Tính chất từ của siêu dẫn
3. Tính chất từ của siêu dẫn

•
Hiệu ứng Meissner

•
Hiệu ứng Meissner cho biết biểu hiện tính chất trong lòng nó các
đường cảm ứng từ bằng 0. Nghĩa là siêu dẫn biểu hiện như 1 chất
nghịch từ lý tưởng. Đăc trưng hệ số từ hóa =1
•
Ta xét 2 đặc trưng cơ bản của siêu dẫn về tính chất điện và từ xuất
phát từ pt cơ bản của điện động lực học thì
•

•
E = r J
•
Trong trạng thái siêu dẫn điện trở suất =0 và J là đại lượng hữu
hạn nên
•
rotE=0
•

•
theo pt Maxwell
•

•
dB/dt= -rotE
•
và theo rotE=0 thì dB/dt =0 suy ra B là 1 hằng số


•
Vậy hiệu ứng Meisser cho biết cảm ứng
từ B trong lòng chất siêu dẫn =0 là hiệu
ứng thực nghiêm quan sát được. Về
phương diện lý thuyết ở đây ta chấp nhận
B=const=0 theo thực nghiệm
•
Trạng thái siêu dẫn có điện trở =0 và chất
siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng là tiêu
chuẩn quan trọng để xét 1 chất có là chất
siêu dẫn hay không.

Từ trường tới hạn
Từ trường tới hạn
•
Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn nếu ta
tăng từ trường đến 1 giá trị xác định thì
mất trạng thái siêu dẫn và sang trạng thái
thường
•
Hc = Ho [1- (T/Tc)^2]
•

•
Hc : từ trường giới hạn
•
Ho : từ trường tới hạn tại Tc=0K