Vật liệu siêu dẫn và ứng dụng ppt

Vật liệu siêu dẫn và ứng dụng
Chúng ta cùng nhau tăng sự hiểu biết của mình về một loại vật liệu rất
nhiều tính năng ưu việt và khả năng ứng dụng trong rất nhiề lĩnh vực mang
lại hiệu quả kinh tế rất cao. Những vật liệu dẫn điện với tính năng hoàn toàn
không có điện trở khi dẫn điện đó là vật liệu siêu dẫn (superconducting
materials).
. Thời sơ khaingười tamới biết một đặc tính củachấtsiêu dẫn, đó là: nếu
truyền một dòngđiện vào một mạchlàm bằng chất liệusiêu dẫn thì dòng điện sẽ
chạytrong đó mãi màkhông suy giảm, vìnó khônggặp mộttrở khángnào trên
đườngđi, nghĩa là năng lượng điệnkhông bị tiêuhao trong quá trìnhchuyển tải
điện từ nơi này sangnơi khác. Đây được coi như một dạng chuyển động vĩnhcửu
trong điện năng. khi Ônglàm nguội thủy ngân trong ni tơ lỏng. Trạng thái này đã
được nhà khoa học người Đức Meissnerchứng minh đó là điện trở đột ngột giảm
xuống bằng 0 Năm 1911,Nhà khoahọc Kamerlingh OnnesngườiHà Lan đã tình
cờ phát hiện ra trạng thái điện trở bằng0
Đặc tính trên, được gọi là:Đặc tính riêng thứ nhấtcủa chất siêu dẫn.
Tính dẫn điện nghĩa là cácđiện tích chuyểntrong cấu trúc tinh thể chất dẫnđiện
(đồng,nhôm, sắt v v ),khiđiện tử va chạm phải nguyên tử trên đường đi trong
chất dẫn điện thì sinh ra điện trở làm tổn thấtđiện năng. Sự tổn thất ấy lên tới
15% đến20%. Như vậy,nếu ứngdụng chất siêu dẫn vàochuyển tải điện năng từ
nhà máy điện đến người tiêu dùng,sẽ tiết kiệm đượcrất nhiều cho xã hội.
Nhưng trở ngại là chất siêudẫn chỉ xuất hiện khiở nhiệt độ rất thấp,chỉ một vài độ
trên không độ tuyệt đối (0 độ K, tức âm 273 độ C); cụ thể, nhiệt độ mà ngườita đã
ghi lại được ở chất siêu dẫn nêu trên là 23độ Kvà phải dùngkhí Heliumhoá lỏng
để làm lạnh, đó làmột chất phức tạpvà đắt tiền, đòi hỏiphải tìmra những chất
siêu dẫn mới,thích hợp, khắc phục nhược điểm trên.
- Đến tháng 1/1986tại Zurich,hai nhà khoa họcAlex Muller và GeorgBednorz tình
cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan,Đồng, Bari,Oxit
kim loại. Chấtgốmnày trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 30 độ K.
Một thời gian ngắn sau,các nhà khoahọc Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo
thành chất siêudẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K. Điều quantrọng là chúng làm lạnh bằng

Nitơ hoá lỏng. Đó làmột thứ rẻ tiền vàdễ thaotác hơn sovới Helium lỏng. Người
ta gọi đó là nhữngchất siêu dẫn mới. Kết quả này kích thích các nhàkhoa họcđua
nhau đi tìm chấtgốm có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ K ngày càngcao để manglại
sự thuận tiện và đỡ tốn kém khi ứng dụngsiêu dẫnvào đời sống
- Năm1987, Hội Vậtlý Mỹ (American Physical Society)mở Hội nghị khoa họctại
New Yorkvới sự hiện diện của nhiều nhà vậtlý nổi tiếng Hoa Kỳ vànhiều nước
trên thế giới.Người ta trao đổi đếnnhững nét mới của siêu dẫn mà một trong số
đó là hiệntượng những đĩa “gốm treo” lơ lửng trên cácnam châm, ngườita gọi đó
là “hiệu ứng Meissner”. Hiệu ứng này ngăncản từ trườngthâm nhập vào bề mặt
chất siêu dẫn, vì thế, làm cho đĩa gốm tự nâng lên và lơ lửng trên các namchâm;
nhưng nếu làmột từ trường mạnh thì vẫncó thể thắng được sức đẩy, khi đó nó
phá huỷ đặc tínhsiêu dẫncủavật liệu. Như vậy, những chất gốm siêu dẫn tỏ ra dễ
bị ảnhhưởng bởi từ trường mạnh.Đồng thời, nguyên lý MagneticLevitation
(Maglev)cũng được đề cập đến,nguyên lýnày dựa vào từ trườngdo các tấm nam
châmsiêu dẫn sinhra khi duytrì đượcnhiệt độ rất thấp. ở nhiệt độ ấy, mọitrở
kháng không còn, nam châm trở thành siêu dẫn và tạo ratừ trường cực mạnh.
Từ kết quả trên cùng với những nghiên cứu khác,người ta kết luận:Những chất
siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạora nhữngtừ trườngrất mạnh và gọi chung đó là
đặc tínhriêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chấtsiêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt
khác,dòng điện chạy trong chất siêu dẫn lại không gặp phải mộtkháng trở nào, do
đó từ trường siêu dẫn sản sinhra rất mạnh. Nhờ đó mà ngày nay,con người có thể
tạo ra từ trườngnhân tạo mạnh gấptới 200 ngàn lần so vớitừ trường của Trái
đất.
- Cũngtại hội nghị khoa học này, các nhà khoa học còn thảo luận tới phát minh mới
về chất siêu lỏng(nó cũng hoạt động ở nhiệt độ rất thấp, tới giới hạntối đa của độ
âm) và nó không có độ bám dính, nghĩa là không có ma sát, nếu tác động quay tròn,
chúng sẽ khôngdừnglại. Đây cũngđượccoi như dạng một chuyểnđộng vĩnhcửu
trong chất lỏng. Từ những trìnhbầy trên, ta có thể định nghĩa : Chất siêu dẫn là
những chất tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, khidòng điệnchạy quakhông có kháng trở.
Cả haithứ: siêu dẫn và siêu lỏngđều là những lĩnh vực hấp dẫn của vật lý đương

đại, từ đây,người ta nhanh chóngnhận ratiềm năngto lớn củachúng. Cũngphải
nói thêm rằng, những nămvề trước, người ta biết đến chất gốm siêu dẫn là một
hỗnhợp cấu thành từ các kim loại, hợp kim, oxit kimloại như đồng (Cu), niobium
(Nb)…trong tươnglai, chắc chắn còn tìmra nhiều chất gốmsiêu dẫnưu việt khác
nữa và nhiệt độ cấu thành lên nó ngày mộtcao.
Cho đến nay, nhiệt độ caonhất cóthể đạt đượcvới một chấtgốm siêu dẫn mới là
150Ktrong hon hop InSnBa4Tm3Cu5Ox.Nhưng thực tế cho thấy, nhữngchấtgốm
được tạothành siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn 100 độ K lại tỏ ra không được ổn định
vì nó nhanh chóngmất đi tính siêu dẫn;Đây là một trong những trở ngại lớn trên
con đường chinhphục siêudẫn. Sự phá huỷ đặc tính siêu dẫn khi ảnhhưởng bởitừ
trường mạnh được giải thích như sau: Đó là do “vòng xoáy từ-vortex state” (tức là
những đường từ tính chuyển độngbên trong chất liệu, như những xoáy nước đi
trong dòngnước), nhữngxoáy này di chuyển, tạo ra những điện trường ngăn chặn
dòngđiện di chuyển tự do, vì thế sinhra mất tínhsiêudẫn của vậtliệu.
- Ngoài những trở ngại như: chất siêu dẫn chỉ xuất hiện ở nhiệt độ thấp, và chất
siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn 100 độ K lại khôngổn định; một trở ngại khácnữa đòi
hỏi phải sớm vượtqua, đó là, chất siêu dẫn đượclàm nên dưới dạng một loại bột,
có thể nén lại thành một chấtrắn nhưngrất giòn. Để dễ ứngdụng, tacần biến nó
dướidạng “ mộtsợi giây”, nhưng tính giòn làm cản trở cho ý đồ kỹ thuật này.Tuy
nhiên,dựa vào côngnghệ làm vi mạch, người ta đã bắt chước cách làm đó và tiến
hành như sau:Phun chấtbột này thành mộtlớp mỏnglên nền mộtchất liệu khác
gọi là đế (tức làrải nhữngyếu tố cấu thành gốm lên cáiđế ). Nhờ đó có thể tạo
thành “dạng giây” và có thể uốnlượn đường giây theo ý muốn trên mặt phẳng.Tuy
nhiên,không đượcbẻ cong vì dễ tạo ra sự đoản mạch.
- Từ đặc tínhriêng thứ haicủa siêu dẫn đã mở ranhiều hướng ứngdụng vàcác
nhà công nghiệptỏ ra hào hứngnhẩy vào cuộc săn tìmcông nghệ mới từ siêu dẫn.
Họ hướngvào một số lĩnh vực ứngdụngchính sau:
+ Dựa vào “nam châm siêu dẫn”, người Nhậtvà người Đức thiết kế ra các đoàn tầu
chạytrên đệm từ .Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3-4 công nghệ tầu chạy
trên đệmtừ khác nhau,lấy tên là Maglevdựa theo côngnghệ: Thực hiện phép

nâng điện-độnglực học bằng cách tạo ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm
siêu dẫn đặt trên con tầuvà nhữngcuộn dây lắp trongđường ray hình chữ Ubằng
bê tông.
Sau đâylà một hìnhmẫu nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba, có
thông số kỹ thuật: Tầuchạy từ Tokyo đến Osakacách nhau khoảng 500 km,mục
tiêu chở 100 khách chạy trongmột giờ. Từ trườngdo nam châm siêu dẫn tạo ra
cực mạnh đủ để nângcon tầu lên10 cm khỏi đường ray.Đường raycó mặtcắt
hình chữ U,trên nó có lắp 3 cuộn giây từ, được cung cấp điện bởi các trạm nguồn
đặt dưới đất dọc theođường tầu. Namchâm siêu dẫn đặt trên tầu và đặt trong
những bình chứa Heliumđã hoálỏng,tạora nhiệtđộ thấp là269 độ dướikhôngđộ,
khi có dòng điện đi qua, sinhra mộttừ trường khoảng 4,23tesla nâng tầu bổng lên
trong khung đường ray chữ U.
Nhờ lựchút và lực đẩy xen kẽ giữahai cực Bắc-Nam của cuộn giây và nam châm,
con tầu cứ thế tiến lên phía trước. Điều khiển tốc độ nhờ điều chỉnhbiến đổi tần số
dòngđiện trong cuộn dây từ 0 đến 50 Hz và điều chỉnh tốc độ từ xa tại trung tâm
điều khiển. Để hãm tầu, người ta làmcánh hãmnhư trên máy bay.Người Nhật đã
phải vừa sản xuất vừa thử nghiệm trong7 năm với kinhkhítrên 3 tỷ USD .Hệ
thống trên đôi khicòn được gọi là hệ thống “Vận tải trên bộ tốc độ cao” (High
Speed Surface transport – HSST).
+ Theo hướng công nghệ HSST này, người Đứcchế tạo ra tầu“Transrapid”chạy
trên đệmtừ và cũng theo nguyênlý phátminhtừ những năm 1960theocôngnghệ
hơi khácngười Nhật đôi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tácđộng của
những thanh namchâm đặttrên tầu,với nhữngnam châmvô kháng chạy bên dưới
và hai bên đườngtầu hình chữ T. Với vận tốc đạt450 km/giờ chạy trên đường
Berlintới Hambourg,kinhphí khoảng6 tỷ USD. Ngoài ra, người Pháp cũngđã và
đang quantâmđến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn.
+ Một ứng dụngkhác nữalà, có thể tạo ra được máy gia tốc mạnhđể nghiên cứu
đặc tínhgốc củanguyên tử. Người ta dùng nhữngnam châm cực mạnh để bẻ cong
các chùm hạt, làm cho chúng chạytheo đườngtròn để chúng va đập vào nhau,qua
đó nghiên cứu những “mảnh”sinh ra do những va đập mạnhđó; người ta gọi đó là

“siêuva đập siêu dẫn”. Dựatheo nguyên tắcnày, các nhàkhoa học Mỹ đang tiến
hành xây dựng một “máy gia tốc cực mạnh” trong đường hầm dài 88 km ở bang
Texac để nghiêncứu các hạtcơ bản của vậtchất.
+ Thêmmột ứng dụng vô cùngquantrọng nưa là khả năng giữ được trạng thái thứ
tư cua vật liệu-trạng tháiplasma.Chúng ta biết rằng phản ứng nhiệt hạch
(Thermonuclear reactions)với khả năngtạo ra một năng lượng khổnglồ, hãy thử
hình dung năng lượng được tạo ra dophản ứng nhiệt hạch từ một gam D-Ttương
đươngvới nănglượng từ 10000 lits dầu.Nhưng ở trạngthái plasmavới thành
phần chủ yếu làHidro nà hêli và nhiệt độ khoảng 60000C sẽ không coloại vậtliệu
nào có thể giữ, khống chế được nguồn năng lương này. Với khả năngưu việt của
mình các Ionsvà electronsquay xung quanhcác đường từ trường tạo ra một áp
lực tử vô cùng lớn có thể giữ được trạng thái plasmatrong cáclò phản ứnghạt
nhân.
- Đặc tính thứ ba của chất siêu dẫn là:Nếu haichất siêu dẫn được đặt gần nhau
(nhưngkhôngchạm nhau) thì các điện tử có thể nhảy quanhư thể hai chất dẫn
điện ấy tiếp xúcvới nhau. Chỗ mà dòngđiện nhẩy qua,người ta gọi là“khớp nối
Josephson”. Nhưng dòng điện chạy quakhớp nối ấy rất nhậy cảm với nhữngbiến
đổi củađiện trường và từ trường bên ngoài. Điềunày giúp cho cácnhà khoa học
nẩy raý tưởng:
+ Có thể ứngdụng để sản sinh ra máy đo điện trường hết sứcchính xác.
+ Một ứng dụngquan trọngnữa từ đặc tínhthứ ba này của chất siêu dẫnlà có thể
làm ra “cái ngắtmạch điện từ” giống như mộttranzito.Cùng với đặc tínhthứ nhất
là dẫn điện màkhông có điện kháng,người ta hy vọng có thể làm rađược máy tính
được nối với nhaubằng “giây siêudẫn”, nhờ đó sẽ làm nênđược “máy tínhđiện tử
siêu tốc”thế hệ mới phục vụ cho nghiên cứu không gian.
+ Ngoài ra, có thể ứng dụngkhớp nối Josephsonđể sản xuất ra thiết bị ytế nhằm
nghiêncứu nhữngđiện trường sinh học cực nhỏ do hoạt động củanão người sinh
ra, giúp cho việc chẩn đoán bệnh về não.Hoặc nhờ siêu nam châm, có thể chế tạo
ra các máy quét MRI dùngtrong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lạicủa âm
thanh) để khámcác mô trong cơ thể người.

+ Cùng với những điều đã nói ở trên, người ta cònhy vọng những thành quả của
siêu dẫn có thể ápdụng để tạo ra những thiết bị quansát vì sao,hành tinh,hoặc bề
mặttrái đất và giúpgiải thích cơ chế của một số vật thể lạ trong vũ trụ, như những
vì saoNeutron, nhữngvật thể siêu rắn sótlại của nhữngngôi sao phát nổ trước khi
tắt màngười ta nghĩ là có đặc tínhxoayvòng tương tự với chấtsiêu dẫn lỏng…
- Gầnđây, các nhàkhoa học Alexei Abrikosov, VitalyGinzburg(người Nga) và
AnthonyLeggett(người Mỹ gốc Anh) đã đóng góp nhiều vào lĩnh vực lýthuyết siêu
dẫnvà mở ranhiều hướng ứng dụngvới côngnghệ caotrong các lĩnhvựcmáy tính,
truyền tải điện năng siêu hiệu quả…. Nhữngthành quả của họ được đánh giá là
chất siêu dẫn thế hệ 2 vàba nhà khoahọc đã được nhận giải Nobel về vật lý vào
năm 2003.Tuynhiên, về mặt lý thuyết, người ta vẫn chưathể giảithích đượcthoả
đáng chất siêu dẫn thực tế hoạt động như thế nào? , mặcdù những hiện tượng vật
lý của nó đã được biết đến không phải ít.
- Nói về vật liệusiêu dẫn mới,ta không thể không đề cập tới thành công mới đây
của người Nhật,đó là, các nhà khoahọc thuộc Trườngđại học Aoyama-Gakinở
Tokyo đã tìm ra vật liêu siêu dẫn từ phikim loại như Magie (Mg), hoặc Bo (B)…
Điều làm cho nó trở nên rẻ tiền nữa là chấtsiêu dẫn trên chỉ làm việc ở nhiệtđộ –
133 độ C. Nghĩa là còn ưu việt hơn cả Keramikcủa người Mỹ. Thành côngnày rất
đáng trân trọng,bởi nó mở ra tìm chất liệu bán dẫntừ phi kimloại là những vật
liệu rẻ tiền,mà nhiệtđộ để tạo thành chất siêu dẫn có thể chấp nhậnđược