TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA SƯ PHẠM BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ - - Đề tài: GVHD: Nhóm 5: MSSV: Dương Quốc Chánh Tín - Nguyễn Tô Bảo Kha B1500791 - Lê Phương Anh B1500828 - Hà Chí Cường B1500833 - Nguyễn Thị Bảo Trang B1500871 - Nguyễn Hoàng Tỷ B1500876 - Ngô Thị Phương Yến B1500877 Cần Thơ, 2016 Đặt vấn đề Chủ đề “ Hiện tượng siêu dẫn” nhóm chúng em nghiên cứu với mong muốn nâng cao hiểu biết tượng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng khoa học – đời sống Chúng ta biết điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ, nhiệt độ giảm điện trở kim loại giảm giảm Tuy nhiên đa số vật liệu có tính chất Một đặc tính kỳ diệu số vật liệu nhiệt độ định (tùy theo chất) điện trở suất vật liệu không, độ dẫn điện trở nên vô Đó tượng siêu dẫn Hiện tượng lý thú phát lần thủy ngân cách gần kỷ (năm 1911) vùng nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (≤ 4,2 K) Sau này, tính chất siêu dẫn tìm thấy hàng loạt kim loại, hợp kim hợp chất Ngoài ra, người ta phát thấy với chất siêu dẫn từ trường bên luôn không có tượng xuyên ngầm lượng tử Các chất siêu dẫn ứng dụng nhiều lĩnh vực điện, điện tử… Các thiết bị có độ nhạy, độ tin cậy cực cao chế tạo Ví dụ: thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ dùng bệnh viện để chuẩn đoán xác bệnh người sử dụng cuộn dây tạo từ trường dây siêu dẫn Nhiều nhà khoa học cho rằng, việc phát minh chất siêu dẫn so sánh với việc phát minh lượng nguyên tử, việc chế tạo dụng cụ bán dẫn Thậm chí số nhà khoa học so sánh vơi việc phát minh điện Các vật liệu siêu dẫn đưa đến thay đổi lớn lao kĩ thuật, công nghệ, kinh tế đời sống xã hội Ngày KHKT phát triển đòi hỏi nhà khoa học phải vận dụng khai thác tối đa ứng dụng chất siêu dẫn để phục vụ cho người lĩnh vực Qua thấy ứng dụng gần gũi người chất siêu dẫn Hiện tượng siêu dẫn mang đến sức hút kì lạ ứng dụng rộng rãi kì diệu Và động lực để nhóm thực nghiên cứu “Hiện tượng siêu dẫn” với mong muốn nâng cao hiểu biết vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với kiến thức ứng dụng lạ tượng siêu dẫn Trong tài liệu này, chúng em có trình bày lý thuyết liên quan, khái niệm, đặc điểm tượng (hay vật liệu) siêu dẫn cuối ứng dụng cụ thể khoa học – đời sống Hy vọng tài liệu tư liệu bổ ích cho bạn sinh viên, người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm tượng siêu dẫn – vấn đề nhiều điều kỳ bí I Hiện tượng siêu dẫn I.1 Khái niệm tượng siêu dẫn Siêu dẫn trạng thái vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn (T c) mà cho phép dòng điện chạy qua trạng thái điện trở đặt siêu dẫn vào từ trường từ trường bị đẩy khỏi Kiến thức lớp 11: Khi nhiệt độ hạ xuống nhiệt độ T c đó, điện trở kim loại (hay hợp kim) giảm đột ngột đến giá trị không R(W ) 80 60 40 20 0 20 40 60 (K) Hình 1.1 Sự điện trở chất siêu dẫn nhiệt độ thấp I.2 Điện trở không Về nguyên tắc, nhiệt độ chuyển pha, điện trở chất siêu dẫn xem hoàn toàn biến Nhưng thực chất trạng thái siêu dẫn, điện trở thành giá trị nhỏ chứng minh điện trở nhiều chất trạng thái siêu dẫn nhỏ độ nhạy mà thiết bị đo cho phép ghi nhận Trong trường hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh xuyến siêu dẫn khép kín, nhận thấy dòng điện không suy giảm sau thời gian dài Giả thiết tự cảm xuyến L, thời điểm t = ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, thời gian muộn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức: I(t)=i(0)e(-R/L) Ở R điện trở xuyến I.3 Nhiệt độ tới hạn độ rộng chuyển pha Ở nhiệt độ xác định (Tc) điện trở chất đột ngột biến - chất cho phép dòng điên chạy qua trạng thái điện trở (trạng thái siêu dẫn) Chất có biểu trạng thái siêu dẫn gọi chất siêu dẫn Nhiệt độ mà điện trở hoàn toàn biến gọi nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn T c) to mà chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn Khoảng to từ điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến gọi độ rộng chuyển pha siêu dẫn (∆T), phụ thuộc chất vật Ví dụ: độ rộng chuyển pha Hg ∆T = 5.10-2 K II.1 Tính chất từ II.1.1 Tính nghịch từ vật dẫn lí tưởng Chất siêu dẫn nhiệt độ chuyển pha biểu điện trở gọi vật dẫn lý tưởng (vật dẫn hoàn hảo) Giả thiết rằng: làm lạnh mẫu kim loại xuống nhiệt độ chuyển pha nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo Điện trở vòng quanh đoạn đường khép kín tưởng tượng bên kim loại Do đó, tổng từ thông bao quanh vật không đổi Nó trường hợp: = (tức , với : mật độ từ thông) → Sự phân bố từ thông kim loại cần phải trì giống trước kim loại điện trở Và giả thiết rằng: mẫu bị điện trở từ trường tác dụng Vì mật độ từ thông kim loại không thay đổi, phải chí sau có từ trường đặt vào Thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây ta dòng điện chạy quanh bề mặt mẫu, tạo mật độ từ thông nơi lòng mẫu, xác ngược chiều với mật độ từ thông từ trường Vì dòng không biến mất, nên mật độ từ thông mạng bên vật liệu trì Các dòng mặt I sinh mật độ bên kim loại (thường gọi dòng chắn) → Mật độ từ thông tạo nên dòng mặt dư (persistent) không biến biên mẫu, mà đường từ thông tạo thành đường cong khép kín liên tục 14 vòng qua không gian bên mẫu, mật độ từ thông nơi bên mẫu ngược với từ thông sinh từ trường Giả thiết rằng, từ trường Ba đặt vào mẫu t o chuyển pha Sau mẫu làm lạnh đến t o thấp cho điện trở biến (Sự biến điện trở không gây ảnh hưởng lên độ từ hóa phân bố từ thông trì không đổi) Khi giảm từ trường mật độ từ thông bên kim loại có độ dẫn lý tưởng không thay đổi dòng bề mặt xuất để trì từ thông bên → Trạng thái từ hóa vật dẫn lý tưởng không xác định điều kiện bên ngoài, mà phụ thuộc vào chuỗi điều kiện vị trí tồn II.1.2 Vật siêu dẫn không lý tưởng Các mẫu lý tưởng mẫu không chứa tạp chất sai hỏng tinh thể Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn sắc nét đường cong từ hóa hoàn toàn thuận nghịch.Có thể thấy độ từ hóa không thuận nghịch từ trường tăng giảm, đường cong từ hóa biểu khác nhau, (xuất hiện tượng từ trễ) Khi từ trường giảm đến sót lại chút độ từ hóa dương mẫu làm tăng mật độ từ thông riêng BT độ từ hóa I r, (hiện tượng từ thông bị hãm) Trong điều kiện này, siêu dẫn giống nam châm vĩnh cửu Như mẫu không lý tưởng cho thấy: • Có ba từ trường tới hạn khác • Có đường cong từ trễ (HC1, HC2 HC3) • Có từ thông bị hãm (bẫy) Thực tế, nhiều mẫu không hoàn hảo Nhưng có khả chế tạo mẫu gần lý tưởng cho chúng biểu tính chất gần giống vật liệu lý tưởng II.1.3 Hiệu ứng Meissner Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu tính chất: Trong lòng đường cảm ứng từ =0 Nghĩa là, siêu dẫn biểu chất nghịch từ lý tưởng Hệ số từ hóa chất siêu dẫn hệ ( CGS) là: II.1.4 Từ trường tới 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 trạng thái thường II.1.5 Dòng tới hạn Dòng cực đại đạt dược trạng thái siêu dẫn gọi dòng tới hạn - I c Năm 1913, Kamerlingh Onnes: Nếu dây siêu dẫn có dòng điện I lớn dòng tới hạn I c 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 dòng tới hạn thân dòng lớn I gây mà từ trường dòng I sinh dây dẫn phá vỡ trạng thái siêu dẫn Thực nghiệm dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng dây siêu dẫn I > Ic mối quan hệ từ trường tới hạn đại lượng I a là: công thức Silsbee Ngoài khái niệm dòng tới hạn (Ic) thông 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 dòng tới hạn Jc Có hai đóng góp vào dòng điện chạy bề mặt chất siêu dẫn Dòng điện chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên pin, acquy gọi “dòng 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 dòng xem tổng thành phần , dòng truyền thành phần làm tăng lên từ dòng chắn: = + Có thể dự đoán siêu dẫn bị phá vỡ độ lớn tổng mật độ dòng vượt mật độ dòng tới hạn điểm Phương trình London biểu diễn mối liên hệ mật độ dòng siêu dẫn điểm mật độ từ thông điểm đó: Nếu tổng dòng điên chạy chất siêu dẫn đủ lớn mật độ dòng bề mặt đạt đến giá trị tới hạn Jc độ lớn từ trường tham gia bề mặt có giá trị H c 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 dòng truyền dọc theo nguyên tố siêu dẫn không điện trở dòng tới hạn nguyên tố Nếu từ trường đặt vào, mà có từ trường sinh dòng truyền, dòng 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 II.1.6 Mối liên hệ từ trường tới hạn dòng tới hạn Xét dây dẫn hình trụ có bán kính a dòng điện chạy qua i Nếu từ trường ngoài, dòng điện I sinh từ trường bề mặt dây dẫn với độ lớn H i 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 từ trường ngoài, phương trình tiên đoán xác giá trị i c Trong từ trường yếu từ trường giá trị dòng tới hạn chất siêu dẫn cao Xét nguyên nhân: Đầu tiên giả thiết từ trường đặt vào có mật độ từ thông B a độ lớn từ trường chạy dọc theo dây sinh từ trường bao quanh dây độ lớn từ trường sinh bề mặt dây là: H i ≈ 2πa.Từ trường từ trường đặt vào hai vec tơ vuông góc với nhau, nên độ lớn H từ trường tổng hợp bề mặt dây là: Giá trị dòng tới hạn ic xuất H = Hc từ phương trình ta có: Ở Hc số, vẫy phương trình biểu diễn thay đổi ic theo Ha: đồ thị biểu diễn giảm dòng tới hạn theo lớn từ trường đặt vào theo chiều dọc tăng lên, có dạng phần tư ellip, mật độ từ thông phân bố bề mặt dây va đường từ thông chạy theo hình xoắn ốc Giả thiết từ trường không đủ mạnh để đưa chất siêu dẫn vào trạng thái trung gian, Trong trường hợp này, tổng mật độ từ thông không đồng bề mặt dây Độ lớn từ trường cực đại xuất dọc theo đường L Do có tượng khử từ nên từ trường 2Ha đặt lên từ trường Hi tổng từ trường là: H=2H Dạng thông thường công thức Silsbee: trường hợp dòng tới hạn giảm tuyến tính theo tăng từ trường đặt vào đạt giá trị II.1.7 Phân loại chất siêu dẫn theo tính chất từ Dựa vào hiệu ứng Meissner: • Siêu dẫn loại I: hoàn toàn • Siêu dẫn loại II: không hoàn toàn Đã tồn vùng trung gian (vùng hỗn hợp) II.2 Tính chất nhiệt II.2.1 Sự lan truyền nhiệt chất siêu dẫn Xét trình điện trở hoàn trở lại với dây dẫn dòng điện chạy dây siêu dẫn vượt dòng tới hạn Giả thiết dây hình trụ Trong thực tế dây dẫn mà toàn chiều dài nó, tất nguyên tố dây dẫn có tính chất hoàn toàn đồng tính Giả thiết dòng điện chạy dọc theo dây dẫn độ lớn tăng vượt qua dòng tới hạn ic (A) tiết diện A Do tiết diện nhỏ nên A trở thành vật cản dòng điện phần khác dây trì dòng siêu dẫn Hậu làm cho dây dẫn xuất điện trở nhỏ r Như vậy, tiết diện A dòng điện i xuyên suốt vật liệu có điện trở đồng thời nhiệt sinra, Nhiệt lượng tỷ lệ với i 2r Kết nhiệt độ A tăng lên xuất dòng nhiệt chạy từ A dọc theo kim loại vào môi trường xung quanh Dòng nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ tăng lên A, độ dẫn nhiệt kim loại nhiệt lượng bị thông qua bề mặt dây dẫn Nhiệt độ A tăng cho đên tỉ số dòng nhiệt truyền từ A i2r nơi mà nhiệt sinh Nếu tỉ số nhiệt sinh thấp t o A tăng lên lượng nhỏ, trường hợp dòng siêu dẫn trì Nếu nhiệt sinh có tỉ số lớn điện trở A cao dòng i lớn, t o A tăng lên vượt Tc dây dẫn Trong thực tế, xuất dòng điện làm giảm từ nhiệt độ T c đến nhiệt độ [...]... nhiều ứng dụng khác: Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao, Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission), Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch, Khả năng giữ được trạng thái plasma, Siêu máy tính, Ăngten mini ( Miniature Antennas), Máy phát điện siêu dẫn, Tàu thủy siêu dẫn, V Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn V.1 Chất siêu dẫn trong răng người Các nhà khoa học tại đại... quan trọng của các dao động mạng đến chất siêu dẫn và do đó các tương tác điện tử và mạng cũng rất quan trọng trong trạng thái siêu dẫn Bản chất của hiệu ứng đồng vị là: Tc phụ thuộc vào số nơtron trong hạt nhân II.2.5 Các hiệu ứng nhiệt điện Không xuất hiện trong chất siêu dẫn, có thể xuất hiện trong 1 số chất siêu dẫn loại II II.2.6 Các tính chất khác Chất siêu dẫn không thay đổi kích thước khi chuyển... trạng thái bán dẫn và dẫn điện thường V.2 Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng Các nhà khoa học Đức và Canada tuyên bố vượt qua siêu thử thách của ngành điện tử, đó là tạo ra chất siêu dẫn ở t o phòng mà chỉ dùng các hợp chất thông thường Với khí SiH4 ở áp suất cao, các nhà khoa học đã tạo ra được vật liệu siêu dẫn ở t o phòng Đầu năm 2008, Một nhóm các nhà khoa học của Canana và Đức thực hiện thành công... lớn và tần số nhỏ III Chất siêu dẫn nhiệt độ cao III.1 Lý thuyết về chất siêu dẫn nhiệt độ cao Do đặc điểm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay đều có cùng một cấu trúc gồm các mặt tinh thể oxit đồng, nên các mô hình lý thuyết hiện nay thường tập trung vào giải bài toán của mạng tinh thể oxit đồng trong không gian hai chiều Mô hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard... gian hai chiều Mô hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard hai chiều nhằm mô tả cấu trúc tinh thể này Cũng giống như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, các nhà vật lý lý thuyết cho rằng nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn là do sự xuất hiện các "cặp điện tử Cooper" Các cặp điện tử này không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có thể tạm hiểu rằng hai điện tử được liên... 14 - 220K có tính siêu dẫn tốt hơn cấu trúc ở 0,1 megabar, 100K Các nhà khoa học tại Warwick còn đi xa hơn nữa trong khi họ đã đưa ra một cách kích họat tính siêu dẫn của phosphorus mà không cần đưa áp suất lên quá cao Bằng cách đặt các nguyên tử phosphorus lên một kim lọai nền, cấu trúc siêu dẫn của Phosphorus sẽ được duy trì lâu bền mà không cần áp suất cao Nếu đặt phosphorus siêu dẫn giữa 2 nam châm... nhiên có xuất hiện từ giảo nhỏ trong trạng thái siêu dẫn ở những t o thấp hơn và có sự thay đổi đột ngột về kích thước khi mẫu trở lại trạng thái thường dưới tác dụng của từ trường Điều này cho thấy tính dị hướng của tinh thể Trong siêu dẫn nhiệt độ cao tính dị hướng đã được xác định ở nhiều hợp chất Trong trạng thái siêu dẫn (T < Tc) hệ số đàn hồi của vật thường nhỏ hơn trạng thái thường Siêu âm tắt... đã phát triển được một hợp chất siêu dẫn ở t o thường bao gồm silicon và Hydro mà không cần bộ máy làm lạnh Giáo sư John Tse của Đại học Saskatchewan (University of Saskatchewan) Canada nói "Nếu hợp chất của Hydro được đặt dưới áp suất đủ lớn thì chúng sẽ có tính siêu dẫn Tính siêu dẫn này có thể được bảo toàn ngay cả ở nhiệt độ cao, không cần được làm lạnh Chất siêu dẫn mới là 1 hợp chất có tên "Silane”,... chất mới về vùng tiếp xúc giữa một chất siêu dẫn tạo ra bởi Yttrium, Barium, đồng và Oxygen và một chất sắt từ (LaCaMnO3) Các nhà nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật cho phép họ tổ hợp 2 vật liệu trong một màng mỏng siêu mạng, và có đồng thời tính sắt từ và tính siêu dẫn (Ảnh chụp cắt ngang siêu mạng) Tài liệu tham khảo 1 Thân Đức Hiền (2008), Nhập môn về siêu dẫn (vật liệu, tính chất và ứng dụng), Nhà... thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha nào đó, gần giống như hiện tượng ngưng tụ Bose trong vật lý nguyên tử lạnh Chúng tạo ra một trạng thái lượng tử đồng pha và là nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn Tuy nhiên, để tạo ra một cặp điện tử Cooper ta cần một tương tác hút hiệu dụng giữa các điện tử, tương tự tương tác "điện tử với phonon" trong lý thuyết BCS Đến nay, nguyên nhân của tương tác đó vẫn chưa được