tiểu luận chuyên đề vật lý ' các đại lượng đặc trưng cho vật liệu siêu dẫn '

Tiểu luận chuyên đề vật lý
-1-
Các đại lượng đặc trưng cho
vật liệu siêu dẫn
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.
2. Điện trở 0
Trong trạng thái siêu dẫn, điện trở bằng 0 hay rất nhỏ? Thực tế, chưa có kết
quả thực nghiệm nào đo được điện trở bằng 0 vì điện trở của chất siêu dẫn nhỏ
hơn độ nhạy của các thiết bị đo cho phép
có thể ghi nhận được. Thực nghiệm với
dụng cụ nhạy nhất cho ta điện trở của siêu
dẫn kim loại < 10
-26
m

, do đó có thể coi
điện trở của siêu dẫn kim loại bằng 0.
3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha
Nhiệt độ mà tại đó điện trở của một
chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có
thể cho phép dòng điện chạy qua trong
trạng thái không có điện trở, được gọi là
nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn. Kí hiệu là T
c
.
Hay nói cách khác, nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một

chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu dẫn.
Tiểu luận chuyên đề vật lý
-2-
Trạng thái không có điện trở của một chất gọi là trạng thái siêu dẫn và chất
có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn.
Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi điện trở
bằng 0 được gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn, kí hiệu
T

.
T

phụ thuộc vào
bản chất của từng vật liệu siêu dẫn.
Có 3 cách để phá vỡ trạng thái siêu dẫn là: ; ;
c c c
I I H H J J
  
với H
c
là từ
trường tới hạn và J
c
là mật độ dòng tới hạn sẽ được trình bày ở các mục sau.
4. Từ trường tới hạn
Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị
(
c
H
) 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 (
c
H
) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt
động.
Nói đơn giản, từ trường mạnh nhất mà một chất còn duy trì được tính siêu
dẫn gọi là từ trường tới hạn
c
H
.
c
H
là hàm của nhiệt độ:
2
0
1
c
c
T
H H
T
 
 
 
 
, với H
0

là từ trường tại T = 0 và tại T = T

c
thì
0
c
H

.
Đường cong H
c
phụ thuộc vào T được gọi là đường cong ngưỡng. Nó 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 thuộc trạng
thái thường.
5. Dòng tới hạn
Dòng cực đại đạt được 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 của chất siêu dẫn xem như bằng 0. Kí hiệu
c
I
. Khi trong dây siêu dẫn có
dòng điện I lớn hơn dòng tới hạn thì trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ.
Tiểu luận chuyên đề vật lý
-3-
Ngoài khái niệm dòng tới hạn, người ta còn sử dụng khái niệm mật độ dòng
tới hạn
c
J
để thay thế. Đó là giá trị dòng tới hạn trên một đơn vị diện tích bề mặt
vật dẫn. Đơn vị thường dùng là A/cm
2

. Giá trị
c
J
phụ thuộc rất mạnh vào từ
trường và đường kính của dây siêu dẫn.
6. Độ dài kết hợp 
Đó là khoảng cách giữa hai điện tử của cặp Cooper trong trạng thái siêu dẫn. Hay
đó là khoảng cách n
S
= n
S
(r) thay đổi rất chậm theo r:
– Đối với SD loại I: ~ 10
-4
cm ứng với
( )
s s
r n n
 
  
– Đối với SD loại II:  ~ 10
-7
cm ứng với
0
s
r n

  

Từ phương trình Ginzburg – Landau tính được:

1
2
2
2m


 

 
 


7. Năng lượng đặc trưng (khe năng lượng)
Trong trạng thái SD, năng lượng của các trạng thái bị chiếm giảm do sự
hình thành các cặp cooper làm xuất hiện các khe cấm năng lượng E
g
. Trong lý
thuyết BCS ta có 2 3.5
g B C
E k T
  
8. Độ xuyên sâu từ trường


Hiệu ứng Meissner xác nhận B = 0 bên trong thể tích vật siêu dẫn. Tuy
nhiên, sự kiện này không đúng
trên mặt của nó. Thực tế, để bù
trừ B đòi hỏi có các dòng trên
bề mặt gây ra từ độ M sao cho
trong thể tích vật siêu dẫn M +

H = 0. Do điện trở không các
dòng bề mặt này không tiêu tán
năng lượng, ta gọi là dòng siêu
lỏng hay siêu dòng. Chiều dày
Tiểu luận chuyên đề vật lý
-4-
của vùng mẫu siêu dòng chảy trong đó gọi là độ xuyên sâu của từ trường λ, là một
trong các đại lượng đặc trưng của chất siêu dẫn.
Từ phương trình London tính được:
1/2
1/2
2 2
2 2
2
4
4
o
mc mc
q
q


 
 
 
 
   
 
 
 

 


9. Phân loại chất siêu dẫn
Thông số Ginzburg – Landau đợc đ/n là:
1/2
2
mc
q
 

 
 
 
 
 


Tiêu chuẩn phân loại chất siêu dẫn theo lý thuyết Ginzburg – Landau là:
1
2


loại I và
1
2


loại II
Chú ý: ,  vµ  là 3 thông số vĩ mô đặc trng trong trạng thái SD.

– (

) -> Độ thấm sâu của từ trường vào trong chất SD
– (

) -> Khoảng cách các vùng có n
S
thay đổi rất chậm trong từ trường.
– (

) -> Tiêu chuẩn để phân biệt SD loại I và II