VLDDT VẬT LIỆU SIÊU DẪN ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC ĐỜI SỐNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
----------

VẬT LIỆU SIÊU DẪN
ỨNG DỤNG TRONG KHOA HỌC ĐỜI SỐNG
(Môn học: Vật liệu điện - điện tử)
Giáo viên hướng dẫn: Th.S Phạm Xuân Hổ
Nhóm thực hiện:

Nguyễn Hoài Phong 16142178
Trần Viết Phi 16142174
Nguyễn Tấn Minh 16142147
Trần Ngọc Vũ Kha 16142127

TP Hồ Chí Minh 02-11-2017


Mục lục
Lời mở đầu............................................................................................................- 1 Lý do chọn đề tài...................................................................................................- 2 I. Hiện tượng siêu dẫn.........................................................................................- 4 I.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn............................................................................- 4 I.2 Điện trở không......................................................................................................- 5 I.3 Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha..............................................................- 5 I.4 Ví dụ và các hiện tượng vật lí...............................................................................- 6 -

II. Lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn..............................................................- 8 III. Các chất siêu dẫn........................................................................................- 13 III.1 Hiệu ứng Meissner..........................................................................................- 13 III.2 Từ trường tới hạn............................................................................................- 16 III.3 Phân loại siêu dẫn...........................................................................................- 16 III.4 Độ dẫn điện của các chất siêu dẫn..................................................................- 18 III.4 Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo............................- 19 -

IV. Lý thuyết BCS..............................................................................................- 19 V. Một số vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao...........................................................- 21 V.1 Oxit siêu dẫn......................................................................................................- 21 V.2 Chất siêu dẫn MgB2...........................................................................................- 21 -

VI. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn...........................................................- 23 VI.1 Tàu chạy trên đệm từ.......................................................................................- 23 VI.2 Máy quét MRI..................................................................................................- 25 -


VI.3 Máy gia tốc hạt.................................................................................................- 27 VI.4 Truyền tải điện năng........................................................................................- 27 VI.5 Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch........................................- 27 VI.6 Siêu máy tính...................................................................................................- 29 VI.7 Ăng ten mini Miniature Antennas...................................................................- 29 VI.8 Máy phát điện siêu dẫn....................................................................................- 29 VI.9 Động cơ siêu dẫn.............................................................................................- 30 VI.10 Tàu thủy siêu dẫn..........................................................................................- 30 VI.11 Thiết bị xử lí tín hiệu.....................................................................................- 30 VI.12 Ô tô điện.........................................................................................................- 30 VI.13 Lò phản ứng nhiệt hạch từ............................................................................- 31 VI.14 Các băng siêu dẫn..........................................................................................- 31 -

Lời kết.................................................................................................................- 32 -

1

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.


2

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…
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.
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.


3

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.
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.


4

Nội dung
I. Hiện tượng siêu dẫn
I.1 Khái niệm hiện tượng siêu dẫn
Siêu dẫn là hiện tượng vật lí xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ
trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường. Siêu dẫn
là một hiện tượng lượng tử.
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.
Ở một nhiệt độ xác định Tc điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó
cho phép dòng điện chảy 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 được gọi là chất siêu dẫn.
Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp
Trong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút
giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các
electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan.
Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường,
phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn
đơn thuần. Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn lý


5

thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng). Hiện nay
chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chất siêu dẫn nhiệt độ cao.
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 là 0 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 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:
i(t) = i(0)e(-R/L)t
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 Ωm. 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 (-3900C) là 39,7Ω. Trong trạng thái lỏng tại 0 0 (cỡ 273K) có giá trị là
172,7Ω, tại gần 4K có giá trị là 8.10 -2 Ω và tại T ~ 3K có giá nhỏ hơn 3.10 -6 Ω. Như vậy
có thể coi là ở nhiệt độ T < 4,0 K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xắp xỉ bằng không).


6

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 T C). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển 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.


7

I.4 Ví dụ và các hiện tượng vật lí


8

Đến nhiệt độ Tc = 4°K , điện trở suất của thủy ngân đột ngột giảm đến 0. Với dây


9

dẫn bằng chì tiết diện 1mm² ở nhiệt độ Tc = 7,26°C dòng điện đạt được I = 1250A , J =
A/m², lớn hơn mật độ dòng điện cực đại đạt được trong kĩ thuật hàng trăm lần mà vật dẫn
không bị nóng.
Điện trở VLSD biến mất khi T = Tc
Ở trạng thái siêu lạnh các electron xuất hiện một tính chất lượng tử: hiện tượng
xuyên hầm, đó là hiện tượng các hạt có thể vượt một rào thế năng với năng lượng bình
thường nó có thì không thể nào vượt qua được nếu xét trong phạm vi cơ học cổ điển của
Newton. Theo cơ học lượng tử các electron có thể hình dung như là sự kết hợp có tính
thống kê của cả hai tính chất sóng – hạt. Ở trạng thái siêu dẫn, các sóng – hạt điện tử có
khả năng vượt qua một rào thế U lớn hơn năng lượng W của hạt, và khi thực hiện được
điều này thì có một dòng điện không bị cản lại (tức là bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt),
như trong sự dẫn điện thông thường.

Bảng các nguyên tố siêu dẫn
Những vật liệu không có tính siêu dẫn: Kim loại hóa trị 1, chất sắt từ và chất kháng
từ.


10

Trạng thái siêu dẫn bị phá hủy khi ở trong từ trường mạnh. Giá trị cường độ từ
trường lúc này (kí hiệu H0) phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Khi nhiệt độ T = Tc thì H0 = 0
+ Khi nhiệt độ T tiến dần về 0K thì H 0 lại tăng dần lên đến giá trị H 0(0) nào đó (đối
với chì H0(0) = 0,08), hàm số chỉ phụ thuộc vào H0 được cho bởi:

H0(T) = H0(0)[1 – ( )2 ]
Khi H > H0 thì không có hiện tượng siêu dẫn ở bất kì nhiệt độ nào.
Trạng thái siêu dẫn còn bị phá hủy khi dòng điện I lớn hơn giá trị I 0=2πr H0(T) với r
là bán kính dây dẫn.
Vật liệu siêu dẫn loại trừ từ thông (vật liệu siêu dẫn không nhiễm từ).


11

II. 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 tìm ra siêu dẫn
khi ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli (He) tại trường đại học tổng hợp quốc gia
Leiden, Hà Lan. Năm 1911 cũng chính Kamerligh Onnes 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 4,1K. Khi nhiệt độ thấp, điện trở của thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ
nữa mà chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới nhiệt độ
tới hạn TC = 4,1K (-268,9oC) thì điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt. Đó là
một phát hiện đầu tiên của hiện tượng siêu dẫn.
Ba năm sau chính ông là người đầu tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn.
Ngay sau đó, người ta phát hiện ra hiện tượng chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng
thái siêu dẫn ở các kim loại khác như chì, niobi nhưng ở nhiệt độ tới hạn TC cao hơn chút.


12

Năm 1914, phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá vỡ tính chất 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.

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.


13

Leon
N

Cooper & John Bardeen & John R Schriffer
Năm 1973, phát hiện ra Nb3Ge có Tc = 23,3K dùng hydro lỏng rẻ hơn.
Năm 1974, vật liệu gốm siêu dẫn được phát hiện với hợp chất BaPb 1-xBixO3 (x=0,5).
Có Tc cực đại cỡ 13K.
=> Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm trước
1985 đều không vượt quá 24K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng duy nhất nghiên cứu hiện
tượng siêu dẫn.
Năm 1986 tại Zurich, Karl Alex Muller và Johannes Georg Bednorz tình cờ phát
hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng, Bari, Oxit kim loại. Chất
gốm này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ Nito lỏng (35K).
Karl Alex
Muller &
Johannes
Georg
Bednorz
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.


14

Một thời gian ngắn sau, các nhà khoa học Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo
thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98K.
Năm 1988, phát hiện ra vật liệu siêu dẫn dựa trên Thali Tl 2Ca2Ba2Cu3O10 với Tc =
127K . Sau đó không lâu tìm thấy một oxit hỗn hợp của đồng, bari, canxi và thủy ngân có
tính siêu dẫn với Tc = 150K.
Năm 1991, một số nhà khoa học đã tìm ra siêu dẫn có trong hợp chất hữu cơ KxC60.
Đến năm 2007, đã có hợp chất siêu dẫn trên nền sắt Fe được phát hiện.
Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có những đóng góp có
tính chất cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng
(Superfluidity). Đó là:

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.
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

15

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.

Biểu đồ trình bày lĩnh vực ứng dụng của các chất siêu dẫn qua các năm
Các mẫu chất siêu dẫn của các trung tâm nghiên cứu
giống

nhau

ở

chỗ

được

tác dụng áp suất rất lớn (hơn 235.000 atmotphe). Điều này
chứng

tỏ

một

khả

năng tăng nhiệt độ tới hạn Tc bằng cách đưa các nguyên
tử

trong

một

hợp

chất

lại

gần nhau hơn: khi các nguyên tử được đưa lại rất gần nhau
trong

vùng

không

gian

có kích thước dài trong khoảng 0,53.10 -8 cm (giá trò trên là
bán

kính

của

q

đạo

Bohr thứ nhất và được xem là biên giới của các hiện tượng

vó

mô

và

vi

mô),

thì

những hiệu ứng của thế giới vi mô (lượng tử) bắt đầu


16

phát

huy

tác

dụng.

Nếu

đạt

được áp suất hàng triệu atmotphe người ta có có thể vươn

tới nhiệt độ TC = 200K và cao hơn nữa.

Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn

III. Các chất siêu dẫn
III.1 Hiệu ứng Meissner
Một vật dẫn lý tưởng có thể có điện trở khơng ở nhiệt độ tuyệt đối (0K). Tuy nhiên,
nó khơng 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 ngồi H a còn cảm ứng từ bên trong mẫu B = 0. Hiện
tượng này gọi là hiệu ứng Meissner.


17

Tính chất từ của chất siêu dẫn
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.
Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ (CGS) sẽ là:
χ==
Hoặc trong hệ SI:
H = Ha + M = 0
χ = = -1


18

Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số từ hóa

χ = -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 = ρJ
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.

Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn
vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng


19

III.2 Từ trường tới hạn
Một vật đang ở trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị (H C)
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 (H C)
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:
H0(T) = H0(0)[1 – ( )2 ]

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.
III.3 Phân loại siêu dẫn
Trở lại công thức mô tả trường khử từ: giá trị 4πM chính là từ trường sinh ra bởi
dòng siêu dẫn. Ở trên từ trường tới hạn H C, chất siêu dẫn trở thành vật dẫn thường có giá
trị 4πM rất nhỏ. Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch từ lý tưởng - nó biểu
hiện hoàn toàn hiệu ứng Meissner và được gọi siêu dẫn loại I. Siêu dẫn loại I thường là
các kim loại sạch.

Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường


20

Năm 1993, hai khoa học gia W.Meissner và R.Ochsenfeld đã khảo sát tính siêu dẫn
của chì. Khi chất này được đặt trong một từ trường yếu và được làm lạnh từ từ. Khi được
hạ xuống một nhiệt độ khá thấp,thường gọi là nhiệt độ tới hạn Tc, chì trở thành siêu dẫn.
Và đồng thời có một tính chất đặc biệt khác: từ thông bị đẩy hoàn toàn ra khỏi chì. Hiệu
ứng này mang tên Meissner-Ochsenfeld và từ đó người ta xác định được các chất siêu dẫn
loại I.
Vật liệu siêu dẫn loại I
Đến năm 1962 ,người ta mới tìm ra các chất siêu dẫn loại II. Chất siêu dẫn loại II
thường là những hợp kim, chúng có thể trở thành siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao.


21

Vật liệu siêu dẫn loại II

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).
III.4 Độ dẫn điện của các chất siêu dẫn
Độ dẫn nhiệt (k) của kim loại là vấn dề phức tạp. Đây là bài toán về các quá trình
không cần bằng với các thành phần da dạng.
Ta biết rằng, năng lượng nhiệt được truyền trong kim loại bằng cả điện tử và photon.
Quá trình truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt va chạm của từng loại hạt tải với chính
loại đó, với các loại hạt tải khác, với các sai hỏng mạng và các biên hạt. Cơ chế này phụ
thuộc nhiệt độ, nồng độ, tạp chất vá kích thước mẫu. Ở trạng thái siêu dẫn còn phụ thuộc
cả vào từ trường và các xoáy từ. Vì vậy, khó có thể làm sáng tỏ mọi sự đóng góp vào độ
dẫn nhiệt của vật trong trạng thái siêu dẫn, mà chỉ có thể xác định được những thành phần
tương đối đơn giản và để phân tích trong quá trình thực nghiệm.
Các kết quả thực nghiệm cho rằng:


22

Thông thường độ dẫn nhiệt (k) trong trạng thái siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng
thái thường. Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt của vật liệu (kSD ) giảm mạnh trong vùng
nhiệt độ T < TC . Về mặt định lượng, có thể giả định mô hình hai chất lỏng. Bản chất của
nó là: Khi nhiệt độ giảm, nồng độ của chất siêu chảy điện tử tăng lên (electron
superfluid). Chất siêu chảy điện tử trong Heli lỏng không mang năng lượng cho nên độ
dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ. Trong nhiều chất siêu dẫn khi T < T C độ dẫn nhiệt
giảm giảm xuống xấp xỉ hoặc bằng 0.
Như vậy, có thể cho rằng các điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn nhiệt.
Tính chất này không được áp dụng để chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn trong kĩ thuật
nhiệt độ thấp.
Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta còn quan sát thấy độ dẫn

nhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ. Hiện tượng này được
Hulm giải thích là: Trong siêu dẫn loại II, quá trình chuyển pha siêu dẫn đã có sự tán xạ
nhẹ của các sóng phonon lên các điện tử làm tăng б SD (độ dẫn nhiệt). Các sóng này mất
dần theo sự giảm nhiệt trong trạng thái siêu dẫn.
III.4 Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo
Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo và vật siêu dẫn dưới tác động của môi
trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp (nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curi). Từ
trường bị đẩy ra khỏi vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu
của vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vật siêu dẫn ở nhiệt độ thấp là trạng
thái không thuận nghịch.

IV. Lý thuyết BCS
1. Nhiều lý thuyết trước đây đều dựa trên cơ sở tương tác trực tiếp lẫn nhau
qua tương tác đẩy coulumb.