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

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 Bạn có bị ấn tượng với hình ảnh bên? Nội dung Lịch sử siêu dẫn Hiện tượng siêu dẫn Tính chất từ Các lý thuyết liên quan Chất siêu dẫn nhiệt độ cao Ứng dụng Lịch sử siêu dẫn 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 trường đại học tổng hợp quốc gia Leiden, Hà Lan. Kamerlingh Onnes Siêu dẫn nhiệt độ thấp năm 1911 cũng chính Kamerligh đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi điện trở một cách đột ngột của mẫu kim loại này ở 4.2 K. Ba năm sau chính ông là người đầu tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm 1914 phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá vỡ tính chất siêu dẫn. Lịch sử siêu dẫn Năm 1930 hợp kim siêu dẫn đầu tiên được tìm ra. Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng Meissner. Lịch sử siêu dẫn Walter Meissner & Robert Ochsenfeld Năm 1957 lý thuyết BCS ra đời bởi Bardeen, Cooper, và Schriffer. 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. Lịch sử siêu dẫn Ngay sau sự kiện năm 1986 nhiệt độ tới hạn của các chất siêu dẫn nhanh chóng vượt qua nhiệt độ hóa lỏng N2 (77.6 K) Ngày nay một số thông tin còn cho rằng có thể chế tạo được chất siêu dẫn ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ phòng dưới dạng các màng mỏng siêu dẫn chứa Bi. Lịch sử 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 và Siêu lỏng. Đó là: Hiện tượng siêu dẫn 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. Tính chất từ Những vật dẫn không có điện trở được gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo. Khi giảm từ trường về 0 thì mật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn lý tưởng không thể thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông bên trong nó. Một trong những tính chất thể hiện tính nghịch từ của vật liệu siêu dẫn là hiệu ứng Meissner Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng Hiệu ứng Meissner Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng: Nếu chất siêu dẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha TC, thì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn. Minh họa cho hiệu ứng Meissner Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì Hc(TC) = 0. Minh họa cho hiệu ứng Meissner Tính nghịch từ của vật dẫn không lí tưởng Mẫu không lý tưởng cho thấy: Có ba từ trường tới hạn khác nhau (HC1, HC2 và HC3). Có đường cong từ trễ. Có từ thông bị hãm (bẫy). Dựa vào hiệu ứng Meissner: - Siêu dẫn loại I: hoàn toàn đúng. - Siêu dẫn loại II: không hoàn toàn đúng, vậy siêu dẫn loại II đã tồn tại vùng trung gian (vùng hỗn hợp). Tiêu chuẩn Ginzburg – Landau:- Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ Các lý thuyết liên quan Lý thuyết Ginzburg - Landau Phương trình Ginzburg – landauXuất phát điểm: Giải thích trạng thái siêu dẫn trật tự hơn trạng thái thường. Vậy chuyển pha siêu dẫn sang trạng thái thường khác nhau của hệ bằng đại lượng vật lý gọi là thông số trật tự . Với là hàm sóng phụ thuộc tọa độ không gian có tính chất là: Thiết lập phương trình Ginzburg- landau: Tính mật độ dòng siêu dẫn: Phương trình này khẳng định thông số trật tự  là một hàm sóng vĩ mô của các cặp cooper. Lý thuyết Ginzburg - Landau Lý thuyết BCS Lý thuyết được đưa ra năm 1957 bởi John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer. Bardeen, Cooper, and Schrieffer được nhận giải Nobel năm 1972 cho sự phát triển lý thuyết siêu dẫn. Cặp cooper Đặc trưng tương tác hút của điện tử - điện tử có thể dẫn đến sự xuất hiện các đôi điện tử liên kết. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao Năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb1-xBix03 (x = 0,25) có TC cực đại cỡ 13K Ngày 27 tháng 01 năm 1986, hai nhà vật lý là K.A.Müller và J.G.Bednorz tìm ra hợp chất gốm Ba0.75La4.25Cu5O4(3-y) có điện trở giảm mạnh trong vùng 30 - 35K và trở về không ở 12 K Trong năm 1986 nhóm TOKYO đã xác đinh được (La0.85Ba0.15)2CuO 4 có cấu trúc Perovkite loại K2NiF4 TC cỡ 30 K Năm 1991, đã tìm ra siêu dẫn còn có trong cả các hợp chất hữu cơ KxC60 với nhiệt độ chuyển pha lên đến 28 K. Một phát hiện rất quan trọng cũng vào năm đó là các nhà khoa học ở AT&T đã tìm thấy siêu dẫn hữu cơ là chất C60Rb3 có nhiệt độ TC cỡ 30 K Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao 20/01/1994 nhóm tác giả R.J.Cava đã công bố tìm thấy siêu dẫn trong hợp chất Intermetallic-LnNi2B2C (Ln = Y, Tm, Er, Ho, Lu) có nhiệt độ TC = 13 - 17 K Năm 2001 đã có rất nhiều hợp chất siêu dẫn mới được phát hiện. Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy Các vật liệu siêu dẫn này có nhiệt độ chuyển pha đã vượt quá 120 K và cấu trúc của chúng cũng đặc biệt hơn. Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Bi-22(n-1)n với n=1,2,3…) Ti2Ba2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Tl-22(n-1)n với n=1,2,3…) HgBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Hg-12(n-1)n với n= 1,2,3…) CuBa2Can-1CunO2n+4 (gọi tắt là Cu-12(n-1)n với n=1,2,3…) A1-xb2xCuO2 (A là kim loại đất hiếm, B là kim loại kiềm hoặc valency) Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy Chất siêu dẫn nhiệt độ cao Vật liệu có cấu trúc các hạt, các sợi, các ống, các tấm mỏng,… có kích thước đặc trưng (đường kính hạt, sợi, ống, bề dày tấm mỏng, vv.) khoảng từ 1 nm đến 100 nm (nm = nanomét = 10-9 m). Vật liệu này là cơ sở của công nghệ nano, chúng có nhiều tính chất kì diệu và mới mẻ. Ống cacbon Fulơren (Fullerene) là vật liệu ống nano có độ bền kỉ lục và trở thành siêu dẫn khi có pha tạp chất thích hợp. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao Ứng dụng Ứng dụng Truyền tải điện năng: Hiện nay ước tính truyền tải điện năng sẽ chịu hao phí ở mức 15 đến 20 % do đó nếu có thể truyền tải bằng dây siêu dẫn sẽ giúp tiết kiệm được khoản chi phí khá lớn. Bom E: Từ trường siêu dẫn sẽ tạo ra một dao động để huỷ thiết bị truyền động điện tử. Thiết bị này đã từng được quân đội Mỹ sử dụng năm 2003. Ứng dụng Tàu chạy trên đệm từ. Tàu hỏa siêu tốc MAGLEV (550 km/h) Vào tháng 12 năm 2003, tàu Yamanashi MLX01 đã được thử nghiệm với vận tốc 581km/giờ. Hiệu ứng treo từ (sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao YBCO) Máy chụp cộng hưởng từ MRI MRI là loại máy sử dụng nam câm siêu dẫn để có một từ trường đủ mạnh để cho nguyên tử hydro bên trong chất béo của con người và các phân tử nước được tăng lên mức năng lượng nào đó có thể đo được bằng các dụng cụ đặc biệt. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) SQUIDS SQUIDS(Superconducting QuantumInterference Device= máy giao thoa lượng tử dùng siêu dẫn ) có thể sử dụng như một máy cộng hưởng từ tuy nhiên không cần từ trường mạnh. Họ có thể xác định được sự thay đổi từ trường rất nhỏ. Và cũng có thể sử dụng cho những trường hợp xác định một cách chính xác các chuyển động. Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn (SMES) Nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao (12 T) Mô hình siêu máy tính Bộ lọc sóng micro bằng siêu dẫn nhiệt độ cao Tách chiết từ Mô tơ siêu dẫn nhiệt độ cao (Siemens first in Europe to operate a high-temperature, superconductor motor) Máy phát điện siêu dẫn Thiết bị dò tìm các mạch điện sai hỏng bằng siêu dẫn nhiệt độ cao. Thiết bị dò sóng milimet Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao