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: Nhóm thực hiện: TS. Lê Văn Hoàng 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 R (W ) 60 40 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 L i(t) = i(0)e 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 m. 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 . Trong trạng thái lỏng tại 00 (cỡ 273 K) có giá trị là 172,7 , tại gần 4K có giá trị là 8.10-2 và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10-6 . 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. Ba năm sau chính ông là người đầu Hình 2.1 Đường cong siêu dẫn theo 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. Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga. 12 Anthony J. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại University of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa kỳ. Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã được các nhà khoa học của Trường đại học Tổng hợp Hà Nội trước đây, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm qua. Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn Vật liệu Hg ToC 4,2 năm 1911 Pb 7,2 1913 Nb 9,2 1930 Nb3Sn Nb3 (Al0,75Ge0 ,25) 18,1 1954 20 21 1966 Nb3Ga 30,3 1971 Nb3Ge 23,2 - 23,9 1973 13 1974 Li2BeH4 30 40 1986 Bi-Ba-CaCu-O 126 - 130 1997 1987 (CuTl)Ba2 Can1CunO2n+4 -y 121 1998 1988 MgB 39 2000 BaPb1xBixO3 La1xCaxMnO3 -Ba-Cu-O Y(Re)-BaCu-O 80 - 90 Bi-Sr-Ca110 120 Cu-O Tl-Ba-Ca115 -125 Cu-O 1988 Vật liệu ToC KxC60 18 - 30 Hg-Ba-Ca90 - 161 Cu-O (NH3)4Na2 33 CsC60 Y-Pd-B-C 23 Ln(Re)-NiB-C (Ca,Na)2Ca Cu2O4Cl2 Ba-Ca-CuO Năm 1991 1993 1994 1994 13 - 17 1994 49 1995 126 1996 1997 13 II.2. Tính chất từ II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng Chất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở. Hãy xem xét các tính chất từ của vật dẫn không có điện trở. Những vật dẫn như vậy dược gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo. Giả thiết rằng: làm lạnh mẫu kim loại xuống dưới nhiệt độ chuyển pha của nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo. Điện trở vòng quanh đoạn dường khép kín tưởng tượng bên trong kim loại là 0. Do đó, tổng từ thông bao quanh vật là không đổi. Điều này chỉ đúng trong những trường hợp mật độ từ thông ở tất cả các diểm bên rong kim loại không thay dổi theo thời gian, ví dụ: dB B 0 (tức là 0) dt (2.1) Đó sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống như trước khi kim loại mất điện trở. Giả thiết rằng mẫu bị mất điện trở khi không có từ trường ngoài tác dụng. Vì mật độ từ thông trong kim loại không thay đổi, cho nên nó phải là 0 thậm chí cả sau khi có từ trường đặt vào. Trong thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây ta dòng điện chạy quanh bề mặt mẫu và như vậy, tạo ra mật độ từ thông ở mọi nơi trong lòng mẫu, chính xác bằng và ngược chiều với mật độ từ thông của từ trường ngoài. Vì các dòng này không biến mất, nên mật độ từ thông mạng bên trong vật liệu vẫn duy trì là 0. Các dòng mặt I sinh ra mật độ bên trong kim loại. Các dòng mặt này thông thường được gọi là các dòng chắn. Mật độ từ thông tạo nên do những dòng mặt dư (persistent) không biến mất ở biên của mẫu, mà các đường từ thông tạo thành các đường cong khép kín liên tục 14 vòng qua không gian bên ngoài mẫu, mặc dù mật độ từ thông này ở mọi nơi bên trong mẫu là bằng nhau và ngược với từ thông sinh ra do từ trường ngoài. Bây giờ hãy xem xét một trình tự khác cho việc làm lạnh trong từ trường đối với một vật liệu không có điện trở. Giả thiết rằng, từ trường Ba được đặt vào khi mẫu ở trên nhiệt độ chuyển pha. Sau đó mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ thấp sao cho điện trở của nó biến mất. Sự biến mất điện trở này không gây ảnh hưởng lên độ từ hóa và sự phân bố từ thông vẫn duy trì không đổi. 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. Ta thấy rằng trạng thái từ hóa của vật dẫn lý tưởng không xác định duy nhất bằng các điều kiện bên ngoài, mà nó phụ thuộc vào chuỗi các điều kiện tại vị trí đang tồn tại. II.2.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng Các mẫu lý tưởng là các mẫu không chứa tạp chất hoặc không có những sai hỏng về tinh thể. Trong thực tế, nhiều mẫu không được hoàn hảo như vậy. Tuy nhiên, vẫn có khả năng chế tạo những mẫu gần như lý tưởng sao cho chúng biểu hiện các tính chất gần giống vật liệu lý tưởng. Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn rất sắc nét và đường cong từ hóa lá hoàn toàn thuận nghịch.Có thể thấy rằng độ từ hóa là không thuận nghịch khi từ trường tăng và giảm, các đường cong từ hóa biểu hiện khác nhau. Ở đây xuất hiện hiện tượng từ trễ. Khi từ trường giảm đến 0 vẫn có thể còn sót lại một chút độ từ hóa dương của mẫu và nó làm tăng mật độ từ thông riêng BT và độ từ hóa Ir. Đó là hiện tượng từ thông bị hãm. Trong điều kiện này, siêu dẫn giống như nam châm vĩnh cửu. Như vậy 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). 15 Các biểu hiện này không nhất thiết phải cùng xuất hiên. Ví dụ, mẫu có thể không có từ trường tới hạn sắc nét và có thể có tính từ trễ nhưng sẽ không bẫy các đường từ thông. Các sai hỏng bao gồm một số lớn các nguyên tử như là các hạt của vật thể khác hoặc hoặc những mắt xích của các nguyên tử dịch chuyển như là những sai hỏng mạng, có khuynh hướng làm tăng tính từ trễ và bẫy từ thông. Các nguyên tử tạp chất và sự phân bố không đồng đều của thành phần của mẫu cũng làm giảm độ sắc nét của từ trường tới hạn trong các mẫu không lý tưởng. II.2.3. Hiệu ứng Meissner Một vật dẫn lý tưởng có thể có điện trở không ở nhiệt độ tuyệt đối (0K). Tuy nhiên, nó không phải là chất siêu dẫn. Người ta thấy rằng biểu hiện tính chất của chất siêu dẫn khi nó có từ trường khác với vật dẫn lí tưởng. 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. Tức là chất siêu dẫn nằm trong từ trường ngòi Ha còn cảm ứng từ bên trong mẫu B = 0. Hiện tượng này gọi là Hình 2.1 Tính chất từ của chất siêu dẫn hiệu ứng Meissner. Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Trong lòng nó các đường cảm ứng từ B = 0. Nghĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng. 16 Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ ( CGS) sẽ là: M 1 Ha 4 (2.2) Hoặc trong hệ SI: H = Ha + M = 0 (2.3) M 1 Ha (2.4) Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số từ hóa = 1 đã nói lên siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng. Mặt khác, đặc trưng cơ bản của chất siêu dẫn về tính chất điện là điện trở không (ρ = 0). Xuất phát từ phương trình cơ bản của điện động lực học thì định luật Omh được biểu diễn trong điện trường theo mật độ và điện trở suất là: E J (2.5) Trong trạng thái siêu dẫn ρ = 0, nên: rot E 0 (2.6) Theo phương trình Maxwell: dB Crot E dt (2.7) dB 0 dt (2.8) Và có: 17 Như vậy, các đường cảm ứng từ B phải là một hằng số. Khi ρ = 0 thì B = const. Nghĩa là, ngay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống dưới nhiệt độ TC thì phương trình B = const vẫn đúng. Vậy, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ B trong lòng chất siêu dẫn bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát được. Về phương diện lý thuyết xét ở đây chỉ là chấp nhận B const 0 theo thực nghiệm. Từ các dẫn chứng trên đây đã đưa đến kết luận là: Trạng thái siêu dẫn có điện trở không và hiệu ứng Meissner biểu hiện rằng, chất siêu dẫn là một nghịch lý từ lý tưởng (χ = -1). Hai tính chất độc lập này có đặc trưng cơ bản riêng biệt nhưng cả hai đều đồng thời là tiêu chuẩn quan trọng để xem xét một chất có phải là siêu dẫn hay không. Hình 2.2 Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng 18 II.2.4. Từ trường tới hạn Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị (Hc) xác định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường (Hc) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ T và hàm đó được mô tả gần đúng như sau: T H c H o 1 TC 2 (2.9) Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì Hc(TC) = 0. Đường cong Hc phụ thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng. Đường này chính là ranh giới phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường. Bên trong đường cong ngưỡng thuộc trạng thái siêu dẫn và bên ngoài đường cong ngưỡng là trạng thái thường. II.2.5. Dòng tới hạn Dòng cực đại đạt dược trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn. Nói cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở cùa chất siêu dẫn xem như bằng không. Dòng tới hạn dược ký hiệu là IC. Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: Nếu trong dây siêu dẫn có dòng điện I lớn hơn dòng tới hạn Ic chạy qua thì trạng thái siêu dẫn cũng bị phá vỡ. Đó là hiệu ứng dòng tới hạn. Ba năm sau (năm 1916) Silsbee mới giải thích và làm sáng tỏ hiện tượng này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng dòng tới hạn không 19 phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu dẫn. Điều này có bản chất giống như hiệu ứng Meissner đã được xét ở mục trước. Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > Ic thì mối quan hệ giữa từ trường tới hạn và các đại lượng I và a sẽ là: Hc = 2I a (2.10) Hình 2.3 Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường của dây dẫn Nb-25%Zr với đường kính dây khác nhau. Công thức (2.10) được gọi là công thức Silsbee, chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng). Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee. (Các chất siêu dẫn loại này còn gọi là chất siêu dẫn không lý tưởng). Ngoài khái niệm dòng tới hạn (Ic) thông thường, người ta còn dùng khái niệm mật độ dòng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dòng tới hạn Ic trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn. Đơn vị thường dùng cho đại lượng này là A/cm 2, giá trị Jc phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây siêu dẫn. Phần trên đã cho thấy, nếu dòng điện chạy trong mạch lớn hơn dòng tới hạn thì trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ. Thực nghiệm cho thấy dòng tới hạn có liên quan đến độ lớn từ trường tới hạn Hc. Các dòng trong chất siêu dẫn đều chạy trên bề mặt bên trong đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ một vài giá trị Ja ở bề Tải về bản full
|
