Đề tài Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học –đời sống

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: TS. Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Vũ Trúc Thanh Hoài Huỳnh Thị Hương Nguyễn Thị Ngọc Lan (26 – 06) Nguyễn Thị Mỹ Linh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009 1 Mục lục Mục lục ...................................................................................................................1 Lời mở đầu..............................................................................................................3 Lý do chọn đề tài.....................................................................................................4 I. Hiện tượng siêu dẫn ........................................................................................7 I.1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn ..............................................................7 I.2. Điện trở không.......................................................................................7 I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha.................................................8 II. Các vật liệu siêu dẫn .......................................................................................9 II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn ........................................9 Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn..............................................................12 II.2. Tính chất từ .........................................................................................13 II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng..................................................13 II.2.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng.............................................................14 II.2.3. Hiệu ứng Meissner...........................................................................15 II.2.4. Từ trường tới hạn .............................................................................18 II.2.5. Dòng tới hạn ....................................................................................18 II.2.6. Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn...........................21 II.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ.....................................24 II.3. Tính chất nhiệt.....................................................................................25 II.3.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn.............................................25 II.3.2. Nhiệt dung của chất siêu dẫn............................................................27 II.3.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn .........................................................28 II.3.4. Hiệu ứng đồng vị .............................................................................30 II.3.5. Các hiệu ứng nhiệt điện....................................................................30 II.3.6. Các tính chất khác............................................................................31 II.4. Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo ....................31 III. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn ...............................................................32 III.1. Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường ............................32 III.2. Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn .....................................32 III.3. Lý thuyết Ginzburg - Landau...............................................................33 III.3.1. Phương trình Ginzburg – landau...................................................33 III.3.2. Độ dài kết hợp..............................................................................35 III.4. Lý thuyết BCS.....................................................................................35 III.4.1. Lý thuyết BCS..............................................................................35 III.4.2. Cặp Cooper ..................................................................................36 IV. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao ..........................................................................37 IV.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao..................37 IV.2. Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao......................................40 IV.3. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình .........................................41 IV.3.1. Vài nét về oxit siêu dẫn ................................................................41 2 IV.3.2. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy........42 IV.3.3. Chất siêu dẫn MgB2 .....................................................................44 IV.4. Tính chất khác.....................................................................................45 V. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn ...............................................................46 V.1. Tàu chạy trên đệm từ. ..........................................................................46 V.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)....................................................48 V.3. Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao .................................50 V.4. Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission)..........................50 V.5. Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch ................................51 V.6. Khả năng giữ được trạng thái plasma:..................................................52 V.7. Bom E: ................................................................................................52 V.8. Siêu máy tính:......................................................................................53 V.9. Ăngten mini ( Miniature Antennas) .....................................................53 V.10. Công tắc quang học: ...........................................................................54 V.11. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn ( Superconducting Manetic Energy Storage - SMES) ...............................................................................................54 V.12. Các bệ phóng điện từ ( Electrmagetic Launchers):...............................54 V.13. Tách chiết từ:.......................................................................................55 V.14. Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System, MHD)..55 V.15. Máy lạnh từ: ........................................................................................56 V.16. Biến thế siêu dẫn .................................................................................56 V.17. Máy phát điện siêu dẫn........................................................................56 V.18. Động cơ siêu dẫn .................................................................................57 V.19. Thiết bị máy phát – Động cơ siêu dẫn kết hợp ..................................57 V.20. Tàu thủy siêu dẫn ................................................................................57 V.21. Thiết bị dò sóng milimet......................................................................58 V.22. Bộ biến đổi analog/digital(A/D convertor)...........................................58 V.23. Màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng .........................................................58 V.24. Thiết bị sử lý tín hiệu...........................................................................59 V.25. Ôtô điện...............................................................................................59 V.26. Cảm biến đo từ thông ba chiều ............................................................59 V.27. Thiết bị Synchrotrons ..........................................................................59 V.28. Lò phản ứng nhiệt hạch từ ...................................................................60 VI. Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn..............................................60 VI.1. Chất siêu dẫn trong răng người............................................................60 VI.2. Chất siêu dẫn 1.5 .................................................................................61 VI.3. Hành xử theo cả hai kiểu .....................................................................62 VI.4. Hỗn hợp tương tác...............................................................................62 VI.5. Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng ........................................................63 VI.6. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ .............64 Lời kết...................................................................................................................68 Tài liệu tham khảo.................................................................................................69 3 Lời mở đầu Đề tài “ Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống” được nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn được nâng cao hiểu biết của mình về hiện tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và những ứng dụng mới lạ của hiện tượng này trong khoa học – đời sống Trong tài liệu này, chúng em có trình bày về vài nét của quá trình lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn, những lý thuyết liên quan, những khái niệm, đặc điểm điển hình của hiện tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn và cuối cùng là những ứng dụng cụ thể trong khoa học – đời sống. Có thể giúp các bạn có một cái nhìn cụ thể hơn về hiện tượng này, và biết được những điều mới lạ, thú vị trong việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ hiện đại. Hy vọng tài liệu này sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên, cũng như những người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tượng siêu dẫn – một vấn đề còn rất nhiều điều kỳ bí. 4 Lý do chọn đề tài Chúng ta đã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm đều thì điện trở của kim loại giảm cũng giảm đều.Tuy nhiên không phải đa số các vật liệu đều có tính chất này. Một đặc tính kỳ diệu của một số vật liệu là dưới một nhiệt độ nhất định (tùy theo từng chất) điện trở suất của vật liệu bằng không, độ dẫn điện trở nên vô cùng. Đó là hiện tượng siêu dẫn. Hiện tượng lý thú này được phát hiện lần đầu tiên ở thủy ngân cách đây gần một thế kỷ (năm 1911) ở vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K). Sau này, tính chất siêu dẫn đã được tìm thấy ở hàng loạt kim loại, hợp kim và hợp chất. Ngoài đặc tính siêu dẫn, người ta còn phát hiện thấy với chất siêu dẫn từ trường bên trong nó luôn luôn bằng không và có hiện tượng xuyên ngầm lượng tử… Mãi hơn 40 năm sau, hiện tượng kỳ lạ của chất siêu dẫn đã được lý giải bằng lý thuyết vi mô. Theo đó, khác với các chất dẫn điện thông thường, ở trạng thái siêu dẫn, hiện tượng dẫn điện là do các cặp điện tử kết hợp với nhau và khi chuyển động tạo nên dòng điện, các cặp không bị mất mát năng lượng và điện trở suất bằng không. Với các đặc tính nêu trên, các chất siêu dẫn đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao đã được chế tạo. Một ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện để chuẩn đoán chính xác bệnh tật trong con người không thể không sử dụng cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn. 5 Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được phát hiện cách đây hơn 20 năm đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn. Để sử dụng các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay - 196οC) với giá thành hạ hơn hàng trăm lần so với dùng chất siêu dẫn thông thường. Chất siêu dẫn có một số đặc tính gần gũi với kỹ thuật nghe nhìn công nghệ cao, bởi vì chúng không có điện trở. Về nguyên tắc, khi dòng điện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy... mãi. Cùng kích thước, chất siêu dẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chuẩn. Vì vậy, thành phần siêu dẫn có thể nhỏ hơn nhiều so với các chất khác hiện nay. Và điều quan trọng là chất siêu dẫn không biến điện năng thành nhiệt năng. Điều này đồng nghĩa với việc một máy phát hoặc chip máy tính siêu dẫn có thể hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với hiện nay. Các khả năng ứng dụng tiềm tàng của các chất siêu dẫn là hết sức rộng rãi và quan trọng, đến mức nhiều nhà khoa học đã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu dẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; thậm chí một số nhà khoa học còn so sánh vơi việc phát minh ra điện. Các vật liệu siêu dẫn sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công nghệ và có thể cả trong kinh tế và đời sống xã hội. Các vấn đề về hiện tượng siêu dẫn luôn là vấn đề nóng hổi mà giới khoa học quan tâm. Hơn hai mươi năm qua, các nhà vật lý vẫn không thể lý giải một cách chính xác hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ cao tại sao dường như chỉ xảy ra ở nhóm đặc biệt các hợp chất hầu như chỉ dựa trên đồng (Cu) và xảy ra như thế nào. Và mới đây, các nhà khoa học ở Nhật Bản đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn nhiệt độ cao hoàn toàn mới dựa trên sắt mà có thể cho phép các nhà vật lý những cách thức mới để có thể tìm hiểu một cách dễ dàng hơn về hiện tượng này – và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này. 6 Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời sống những ứng dụng hết sức rộng rãi và to lớn. Ngày nay khoa học kĩ thuật đã và đang đang phát triển đòi hỏi các nhà khoa 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. Và đó cũng là một trong những lí do để nhóm quyết định chọn đề tài “Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học và đời sống” 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 siêu dẫn. Hy vọng đề tài sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm về một hiện tượng siêu dẫn. Nhóm sinh viên thực hiện. 7 I. Hiện tượng siêu dẫn I.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 nó cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn 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 ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. 80 60 ) W 40 R ( 20 0 0 20 40 60 T (K) Hình 1.1 Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp I.2. Điện trở không Về nguyên tắc, ở dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn xem như hoàn toàn biến mất. Vậy thực chất: trong trạng thái siêu dẫn, điện trở thành không hay là có giá trị rất nhỏ ? Tất nhiên, không thể chứng minh được bằng thực nghiệm rằng điện trở trong thực tế là 0; bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được. Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất dài. Giả thiết rằng tự cảm 8 của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, ở thời gian muộn hơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức : R   t i(t) = i(0)eL  Ở đây R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện bao quanh xuyến. Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định được điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 Ωm. Giá trị này thỏa mãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0. I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ Heli. Khi nghiên cứu điện trở của thủy ngân (Hg) trong sự phụ thuộc nhiệt độ, ông đã quan sát được rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn (trước điểm nóng chảy cỡ 234K (- 390C ) là 39, 7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 00 (cỡ 273 K) có giá trị là 172,7Ω , tại gần 4K có giá trị là 8.10-2 Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10-6 Ω. Như vậy có thể coi là ở nhiệt độ T<4,0 K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không). Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điên chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó được gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là TC). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển 9 pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn. Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ∆T). Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ∆T = 5.10-2 K. Độ rộng chuyển pha ∆T phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. II. Các vật liệu siêu dẫn II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn Cách đây gần một thế kỷ siêu dẫn còn chưa ai biết tới thì giờ đây lại đang là một vấn đề rất nóng đối với các nhà vật lý hiện đại. Năm 1908 Kamerlingh Onnes đã đặt bước tiến đầu tiên trong việc ra siêu dẫn khi ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli tại truwòng đại học tổng hợp quốc gia Leiden, Hà LaNăm 1911 cũng chính Kamerligh đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi diện trở một cách đột ngột của mẫu kim loại này ở 4.2 K. Hình 2.1 Đường cong siêu dẫn theo Ba năm sau chính ông là người đầu nhiệt độ của thủy ngân tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm 1914 phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá vỡ tính chất siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dân đầu tiên được tìm ra. 10 Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị dẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng Meissner. Walter Meissner & Robert ochsenfeld Năm 1957 lý thuyết BCS ra đời bởi Cooper, Bardeen,và Schriffer đã giải thích hầu hết các tính chất cơ bản của siêu dẫn lúc bấy giờ, và lý thuyết này đã đạt được giải thưởng Nobel. John Bardeen, Leon Cooper,and John Schrieffer 11 Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm trước 1985 đều không vượt quá 24 K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng duy nhất nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn. Năm 1986, J.G. Bednorz và K.A Muller (Thụy Sỹ) đã tìm ra hiện tượng siêu dẫn có trong hợp chất gốm La – Ba – Cu – O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt độ Nitơ lỏng. Với phát minh này J.G. Bednorz và K.A Muller đã được nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hướng mới- đó là siêu dẫn nhiệt độ cao. Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một kỉ nguyên mới cho ngành vật lý siêu dẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity). Đó là: Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ. Vi