báo cáo vật liệu điện vật liệu siêu dẫn SPKT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

TIỂU LUẬN
ĐỀ TÀI: VẬT LIỆU ĐIỆN ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn : Phạm Xuân Hổ
Nhóm 4
Tên thành viên

Mã số sinh viên

Hồ Chí Minh

1


MỤC LỤC

GIỚI THIỆU.............................................................................................................3
1. Lịch sử phát triển của vật liệu siêu dẫn...............................................................5
2. Tính chất của vật liệu siêu dẫn............................................................................8
2.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn.................................................................................8
2.2.1 Đặc tính riêng thứ nhất của chất siêu dẫn............................................9
2.2.2 Đặc tính riêng thứ 2 của vật liệu siêu dẫn..........................................10
2.2.3 Đặc tính riêng thứ 3 của vật liệu siêu dẫn :........................................11
2.3 Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn...............................................................12
2.3.1 Lý thuyết Ginzburg - Landau.............................................................12
2.3.2 Lý thuyết BCS...................................................................................12
3. Nguyên lý vật liệu siêu dẫn.................................................................................13

3.1 Sự khác biệt giữa vật siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo...............................13
3.2 Phân loại các vật liệu siêu dẫn.......................................................................14
4.Ứng dụng vật liệu siêu dẫn...................................................................................14
4.1 Truyền tải điện năng......................................................................................14
4.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ.............................................................................16
4.3 Tạo ra Máy gia tốc mạnh...............................................................................17
4.4 Máy đo điện trường chính xác.......................................................................21
4.5 Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc..................................22
4.6 Máy quét MRI dùng trong y học...................................................................24
4.7 Chiếu sáng chất siêu dẫn - Phát kiến của nhóm giáo sư Yoram Dagan 26

2


GIỚI THIỆU
Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý 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
(hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này
khơng nên nhầm với mơ hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển
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. Ngồi ra cịn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các
chất siêu dẫn khác thường, phơ 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 thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp
hơn nhiều so với nhiệt độ trong phịng). Hiện nay chưa có lý thuyết hồn chỉnh về
chất siêu dẫn nhiệt độ cao.
Đối với kim loại nói chung, ở nhiệt độ rất cao thì điện dẫn xuất λ tỉ lệ với nhiệt độ
T. Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh khi T giảm. Nếu kim loại hoàn tồn tinh khiết, có

thể nói rằng về ngun tắc khi T=0 thì λ tiến tới vơ cực, nghĩa là điện trở kim loại
dần tiến tới 0. Nếu kim loại có lẫn tạp chất thì ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài độ K)
kim loại có điện trở dư khơng phụ thuộc nhiệt độ và tỉ lệ với nồng độ tạp chất. Thực
tế không thể đạt tới nhiệt độ T=0 độ K và khơng thể có kim loại ngun chất hồn
tồn, nên vật thể có điện trở bằng 0 chỉ là vật dẫn lý tưởng.
Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy
rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn sự phụ thuộc đối
với kim loại khác. Khi nhiệt độ thấp, điện trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt
độ nữa, chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới
Tc=4,1 độ K, điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt. Hiện tượng nói trên
gọi là hiện tượng siêu dẫn, và Tc là nhiệt độ tới hạn.

3


Đến tháng 1 năm 1986 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller và 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 35 độ K.
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 98 độ K.
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.

4


1. Lịch sử phát triển của vật liệu siêu dẫn
Đối với kim loại nói chung, ở nhiệt độ rất cao thì điện dẫn xuất λ tỉ lệ với nhiệt độ

T. Ở nhiệt độ thấp, λ tăng nhanh khi T giảm. Nếu kim loại hồn tồn tinh khiết, có
thể nói rằng về ngun tắc khi T=0 thì λ tiến tới vơ cực, nghĩa là điện trở kim loại
dần tiến tới 0. Nếu kim loại có lẫn tạp chất thì ở nhiệt độ rất thấp (khoảng vài độ K)
kim loại có điện trở dư không phụ thuộc nhiệt độ và tỉ lệ với nồng độ tạp chất. Thực
tế không thể đạt tới nhiệt độ T=0 độ K và khơng thể có kim loại ngun chất hồn
tồn, nên vật thể có điện trở bằng 0 chỉ là vật dẫn lý tưởng.
Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy
rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn sự phụ thuộc đối
với kim loại khác.

(Heike Kamerlingh Onnes)
Khi nhiệt độ thấp, điện trở thủy ngân không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, chỉ phụ
thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ xuống tới Tc=4,1 độ K, điện
trở đột ngột hạ xuống 0 một cách nhảy vọt. Hiện tượng nói trên gọi là hiện tượng
siêu dẫn, và Tc là nhiệt độ tới hạn.
Đến tháng 1 năm 1956 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller và 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 35 độ K.

5


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 98 độ K. Điều quan trọng là chúng làm lạnh bằng
Nitơ hố lỏng. Đó là một thứ rẻ tiền và dễ thao tác hơn so với Helium lỏng. Người
ta gọi đó là những chất siêu dẫn mới. Kết quả này kích thích các nhà khoa học đua
nhau đi tìm chất gốm có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ K ngày càng cao để mang lại
sự thuận tiện và đỡ tốn kém khi ứng dụng siêu dẫn vào đời sống…
Một nam châm được nâng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ
lỏng lạnh tới −200 °C, thể hiện hiệu ứng

Năm 1987, Hội Vật lý Mỹ (American Physical Society) mở Hội nghị khoa học tại
New York với sự hiện diện của nhiều nhà vật lý nổi tiếng Hoa Kỳ và nhiều nước
trên thế giới. Người ta trao đổi đến những nét mới của siêu dẫn mà một trong số đó

6


là hiện tượng những đĩa "gốm treo" lơ lửng trên các nam châm, người ta gọi đó
là "hiệu ứng Meissner".

Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld là hiệu ứng từ thơng hồn
tồn bị đẩy ra khỏi bên trong của vật siêu dẫn. Hiện tượng này là hiện tượng hoàn
hảo. Từ thơng sinh ra bởi vật siêu dẫn bù trừ hồn tồn từ thơng ở mơi trường ngồi.
Do đó từ thơng bên trong vật siêu dẫn bằng 0.
Hiệu ứng này ngăn cản từ trường thâm nhập vào bề mặt chất siêu dẫn, vì thế, làm
cho đĩa gốm tự nâng lên và lơ lửng trên các nam châm; nhưng nếu là một từ trường
mạnh thì vẫn có thế thắng được sức đẩy, khi đó nó phá huỷ đặc tính siêu dẫn của vật
liệu. Như vậy, những chất gốm siêu dẫn tỏ ra dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường mạnh.
Đồng thời, nguyên lý Magnetic Levitation (maglev) cũng được đề cập đến, nguyên
lý này dựa vào từ trường do các tấm nam châm siêu dẫn sinh ra khi duy trì được
nhiệt độ rất thấp. Ở nhiệt độ ấy, mọi trở kháng khơng cịn nam châm trở thành siêu
dẫn và tạo ra từ trường cực mạnh.

7


Từ kết quả trên cùng với những nghiên cứu khác, người ta kết luận: Những chất
siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trường rất mạnh và gọi chung đó là đặc
tính riêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chất siêu dẫn đều làm ra từ trường; mặt khác,

dịng điện chạy trong chất siêu dẫn lại khơng gặp phải một kháng trở nào, do đó từ
trường siêu dẫn sản sinh ra rất mạnh. Nhờ đó mà ngay nay, con người có thể tạo ra
từ trường nhân tạo mạnh gấp tới 200 ngàn lần so với từ trường của Trái đất.
Cũng tại 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 hạn tối đa của độ
âm) và nó khơng có độ bám dính, nghĩa là khơng có ma sát, nếu tác động quay trịn,
chúng sẽ khơng dừng lại. Đây cũng được coi như dạng một chuyển động vĩnh cửu
trong chất lỏng. Từ những trình bầy trên, ta có thể định nghĩa: Chất siêu dẫn là
những chất tồn tại ở nhiệt độ cực thấp, khi dòng điện chạy qua khơng có kháng trở.
Cả hai thứ: siêu dẫn và siêu lỏng đều là những lĩnh vực hấp dẫn của vật lý đương
đại, từ đây, người ta nhanh chóng nhận ra tiềm năng to lớn của chúng. Cũng phải
nói thêm rằng, những năm về trước, người ta biết đến chất gốm siêu dẫn là một hỗn
hợp cấu thành từ các kim loại, hợp kim, oxit kim loại như đồng (Cu), niobium
(Nb)... trong tương lai, chắc chắn cịn tìm ra nhiều chất gốm siêu dẫn ưu việt khác
nữa và nhiệt độ cấu thành lên nó ngày một cao.
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.

2. Tính chất của vật liệu siêu dẫn
2.1 Sơ lược vật liệu siêu dẫn
Năm 1911, lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát hiện ra vật chất dẫn điện với
tính năng hồn tồn khơng có điện trở, gọi đó là chất siêu dẫn.

8


2.2.1 Đặc tính riêng thứ nhất của chất siêu dẫn.
Thời sơ khai này, người ra mới biết một đặc tính của chất siêu dẫn, đó là: nếu

tuyển một dịng điện vào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dịng điện sẽ
chạy trong đó mãi mà khơng suy giảm, vì nó khơng gặp một trở kháng nào trên
đường đi, nghĩa là năng lượng điện không bị tiêu hao trong quá trình chuyển tải
điện từ nơi này sang nơi khác. Đây được coi như một dạng chuyển động vĩnh cửu
trong điện năng. Đặc tính trên được gọi là đặc tính riêng thứ nhất của chất siêu dẫn.
Tính dẫn điện nghĩa là các điện tử tách ra khỏi nguyên tử của chúng và di chuyển
trong cấu trúc tinh thể chất dẫn điện (đồng, nhôm, sắt v.v...), khi điện tử va chạm
phải nguyên tử trên đường đi trong chất dẫn điện thì sinh ra điện trở làm tổn thất
điện năng. Như vậy, nếu ứng dụng chất siêu dẫn vào chuyển tải điện năng từ nhà
máy điện đến người tiêu dùng, sẽ tiết kiệm được rất nhiều cho xã hội.
Nhưng trở ngại là chất siêu dẫn chỉ xuất hiện khi ở 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 người ta
đã ghi lại được ở chất siêu dẫn nêu trên là 23 độ K và phải dùng khí Helium hố
lỏng để làm lạnh, đó là một chất phức tạp và đắt tiền, địi hỏi phải tìm ra những chất
siêu dẫn mới, thích hợp, khắc phục nhược điểm trên.
Cho đến nay, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được với một chất gốm siêu dẫn mới là
125 độ K. Nhưng thực tế cho thấy, những chất gốm được tạo thành siêu dẫn ở nhiệt
độ độ cao hơn 100 độ K lại tỏ ra không được ổn định vì nó nhanh chóng mất đi tính
siêu dẫn. Đây là một trong những trở ngại lớn trên con đường chinh phục siêu dẫn.
Sự phá huỷ đặc tính siêu dẫn khi ảnh hưởng bởi từ trường mạnh được giải thích như
sau: Đó là do "vịng xốy từ" (tức là những đường từ tính chuyển động bên trong
chất liệu, như những xốy nước đi trong dịng nước), những xốy này di chuyển, tạo
ra những điện trường ngăn chặn dòng điện di chuyển tự do, vì thế sinh ra mất tính
siêu dẫn của vật liệu.
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 không ổn định; một trở ngại khác nữa đòi hỏi
phải sớm vượt qua, đó là, chất siêu dẫn được làm nên dưới dạng một loại bột, có thể
nén lại thành một chất rắn nhưng rất giòn. Để dễ ứng dụng, ta cần biến nó dưới
dạng "một sợi dây", nhưng tính giịn làm cản trở cho ý đồ kỹ thuật này. Tuy nhiên,
9

dựa vào công nghệ làm vi mạch, người ta bắt chước cách làm đó và tiến hành như
sau: Phun chất bột này thành một lớp mỏng lên nền một chất liệu khác gọi là đế (tức
là rải những yếu tố cấu thành gốm lên cái đế). Nhờ đó có thể tạo ra thành "dạng
giây" và có thể uốn lượn đường dây theo ý muốn trên mặt phẳng. Tuy nhiên, không
được bẻ cong vì dễ tạo ra sự đoản mạch.

2.2.2 Đặc tính riêng thứ 2 của vật liệu siêu dẫn.
Những chất siêu dẫn nhiệt độ thấp có thể tạo ra những từ trường rất mạnh và gọi
chung đó là đặc tính riêng thứ hai của siêu dẫn. Mọi chất siêu dẫn đều làm ra
từ trường; mặt khác, dòng điện chạy trong chất siêu dẫn lại không gặp phải
một kháng trở nào, do đó từ trường siêu dẫn sản sinh ra rất mạnh.
Từ đặc tính riêng thứ hai của siêu dẫn đã mở ra nhiều hướng ứng dụng và các nhà
công nghiệp tỏ ra hào hứng nhảy vào cuộc săn tìm cơng nghiệp mới từ siêu dẫn. Họ
hướng vào một số lĩnh vực ứng dụng chính sau:
Dựa vào "nam châm siêu dẫn", người Nhật và người Đức thiết kế ra các đoàn tầu
chạy trên đệm từ. Người Nhật đã thử nghiệm với khoảng 3 - 4 công nghệ tàu chạy
trên đệm từ khác nhau, lấy tên là Maglev dựa theo: thực hiện phép nâng điện - động
lực học bằng cách tạo ra 2 từ trường đối nhau giữa các nam châm siêu dẫn đặt trên
con tàu và những cuộn dây lắp trong đường ray hình chữ U bằng bê tơng.

(High Một con tàu của Nhật ứng dụng hệ thống Speed Surface transport)
Sau đây là một hình mẫu nhiều triển vọng nhất đã thử nghiệm đến lần thứ ba, có
thơng số kỹ thuật: tầu chạy từ Tokyo đến Osaka cách nhau khoảng 500km, mục tiêu
chở 100 khách chạy trong một giờ. Người Nhật đã phải vừa sản xuất vừa thử
10


nghiệm trong 7 năm với kinh phí trên 3 tỷ USD. Hệ thống trên đơi khi cịn được gọi

là hệ thống "Vận tải trên bộ tốc độ cao" (High Speed Surface transport - HSST).
Theo hướng công nghệ HSST này, người Đức chế tạo ra tàu "Transrapid" chạy
trên đệm từ và cũng theo nguyên lý phát minh từ những năm 1960 theo cơng nghệ
hơi khác người Nhật đơi chút, đó là phương pháp nâng điện từ nhờ tác động của
những thanh nam châm đặt trên tàu, với những nam châm vô kháng chạy bên dưới
và hai bên đường tầu hình chữ T. Ước vận tốc đạt 450 km/giờ chạy trên đường
Berlin tới Hambourg, kinh phí khoảng 6 tỷ USD. Ngồi ra, người Pháp cũng đã và
đang quan tâm đến vấn đề vận tải siêu tốc trên bộ bằng siêu dẫn.

2.2.3 Đặc tính riêng thứ 3 của vật liệu siêu dẫn :
Đặc tính thứ ba của chất siêu dẫn là: Nếu hai chất siêu dẫn được đặt gần nhau
(nhưng không chạm nhau) thì các điện tử có thể nhảy qua như thể hai chất dẫn điện
ấy tiếp xúc với nhau. Chỗ mà dòng điện nhảy qua, người ta gọi là "khớp nối
Josephson". Nhưng dòng điện chạy qua khớp nối ấy rất nhậy cảm với những biến
đổi của điện trường và từ trường bên ngoài. Điều này giúp cho các nhà khoa học
nẩy ra ý tưởng:
Có thể ứng dụng để sản sinh ra máy đo điện trường hết sức chính xác.
Một ứng dụng quan trọng nữa từ đặc tính thứ ba này của chất siêu dẫn là có thể
làm ra "cái ngắt mạch điện từ" giống như một tranzito. Cùng với đặc tính thứ nhất
là dẫn điện mà khơng có thể làm ra được máy tính được nối với nhau bằng "giây
siêu dẫn",nhờ đó sẽ làm nên được "máy tính điện tử siêu tốc" thế hệ mới phục vụ
cho nghiên cứu khơng gian.
Ngồi ra, có thể ứng dụng khớp nối Josephson để sản xuất ra thiết bị y tế nhằm
nghiên cứu những điện trường sinh học cực nhỏ do hoạt động của não 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 dùng trong y học (quét ảnh bằng cách đo tiếng dội lại của âm
thanh) để khám các mô trong cơ thể người.

11

( Máy chụp MRI )

2.3 Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn
2.3.1 Lý thuyết Ginzburg - Landau
Thuyết Landau-Ginburg dựa trên nền tảng là lý thuyết chuyển pha loại 2 của
Landau. Từ xuất phát điểm để giải thích trạng thái siêu dẫn trật tự hơn trạng thái
thường Landau đưa ra khái niệm tham số trật tự -là đại lượng vật lý có giá trị bằng
khơng trong pha mất trật tự và khác không trong pha trật tự

2.3.2 Lý thuyết BCS
Năm 1957 John Bardeen và hai học trò trên đại học Leon Cooper, J. Robert
Schrieffer, đã được nhận giải thưởng Nobel cho lý thuyết BCS giải thích hiện tượng
siêu dẫn của họ. Lý thuyết BCS, trong dạng đơn giản nhất của mình, hồn tồn
ngược lại với những quan điểm vật lý vĩ mô thô thiển trước đây cho rằng trạng thái
siêu dẫn nẩy sinh là do các điện tử tự do không tương tác với các nguyên tử trong
mạng tinh thể của vật liệu. Lý thuyết BCS nói rằng trái lại điện tử thực sự tương tác
một cách xây dựng với các nguyên tử trong mạng tinh thể của vật liệu.
Lý thuyết BCS đưa ra một giả thuyết có tính chất chủ yếu ngay từ ban đầu:
Lực hấp dẫn tồn tại giữa các điện tử, trong siêu dẫn loại I đặc trưng: lực này là
lực hấp dẫn Coulomb giữa các điện tử và mạng tinh thể. Điện tử trong mạng sẽ sinh
ra sự tăng nhẹ điện tích dương xung quanh bản thân. Sự tăng điện tích dương này
đến lượt mình sẽ hút điện tử khác. Hai điện tử này tạo thành đôi Cooper. Nếu như

12


nhiệt năng trong mạng tinh thể nhỏ hơn năng lượng tương tác giữa hai điện tử này,
thì hai điện tử vẫn cặp đôi với nhau.
Bởi thế luôn cần nhiệt độ thấp để dao động nhiệt của mạng đủ nhỏ để cho phép

tạo nên đôi Cooper. Trong vật liệu siêu dẫn chủ yếu những đôi Cooper này dẫn điện
chứ không phải các điện tử đơn.
Bình thường khi các e- chuyển động va chạm với mạng tinh thể, tạo nên điện trở
của chất dẫn điện. Chất dẫn điện tốt khi sự va chạm của e- với mạng là tối thiểu.
Nhưng các kim loại dẫn điện kém lại là các chất siêu dẫn tuyệt vời vì sự tương tác
mạnh giữa mạng tinh thể và các điện tử. Dưới TC các đôi Cooper ở trạng thái năng
lượng thấp nhất -> chúng hồn tồn khơng bị cản trở khi chuyển động -> điện trở
bằng 0.

3. Nguyên lý vật liệu siêu dẫn
Siêu dẫn là hiệu ứng vật lý 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
(hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này
không nên nhầm với mơ hình lý tưởng dẫn điện hồn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ
từ thủy động lực học.
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. Ngồi ra cịn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các
chất siêu dẫn khác thường, phơ 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 thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn
nhiều so với nhiệt độ trong phịng). Hiện nay chưa có lý thuyết hồn chỉnh về chất
siêu dẫn nhiệt độ cao.

3.1 Sự khác biệt giữa vật 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 mơi
trường ngồi 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

13


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.

3.2 Phân loại các vật liệu siêu dẫn
Dựa vào hiệu ứng Meissner:
Siêu dẫn loại I: hồn tồn đúng.
Siêu dẫn loại II: khơng hồn tồn
đúng, vậy siêu dẫn loại II đã tồn tại
vùng trung gian (vùng hỗn hợp).
Tiêu chuẩn Ginzburg – Landau:

4.Ứng dụng vật liệu siêu dẫn
4.1 Truyền tải điện năng
Gần đây, công nghệ siêu dẫn này đã được ứng dụng cho tàu thủy, tuốc-bin gió và
xe hơi chạy bằng điện. Nhưng thách thực lớn nhất trước mắt chính là làm sao ứng
dụng nó vào hệ thống truyền dẫn điện năng, bởi nhu cầu về một hệ thống đường dây
truyền điện đường dài để đưa điện từ những nguồn năng lượng thay thế như sức gió
và năng lượng mặt trời đang ngày một bức thiết. Chẳng hạn như tại Mỹ, khu vực tối
ưu nhất để thu sức gió là một dải kéo dài từ bắc Texas đến Dakotas, trong khi năng
lượng mặt trời lại có thể được tận dụng tốt nhất tại Arizona và New Mexico, còn
khu vực tiêu thụ năng lượng điện nhiều nhất, tức là các khu đô thị, lại tập trung dọc
theo các bờ biển hoặc quanh vùng Hồ Lớn. Nếu sử dụng hệ thống dây điện thơng
thường hiện nay thì một mặt gây mất mỹ quan và mặt khác quan trọng hơn là nó
gây thất thốt nhiều điện năng trên đường truyền tải (có thể tới 14% điện năng nếu
đường cáp được làm bằng đồng) trong khi chi phí cho hệ thống này cũng không hề
rẻ.

14


Và chính điều này đã tạo ra điểm vượt trội của các sợi cáp siêu dẫn. Một bó dây
cáp truyền dẫn được 5 gigawatt – tương đương với sản lượng của 5 nhà máy điện
hạt nhân – có thể nằm gọn trong một đường ống với đường kính chỉ 3 feet chơn
được dưới lịng đất. Một phần đường ống này sẽ được nối với hệ thống làm lạnh –
hiện tượng siêu dẫn chỉ có thể diễn ra khi nhiệt độ của vật liệu siêu dẫn được hạ
xuống mức rất thấp. Trước đây người ta sử dụng heli hóa lỏng ở nhiệt độ -269oC để
làm lạnh, nhưng ngày nay các nhà khoa học đã tạo ra loại vật liệu có thể đạt được
tính năng siêu dẫn chỉ với việc làm lạnh bằng nitơ lỏng, tức là ở nhiệt độ khoảng
-70° C. Đây là một bước tiến có ý nghĩa kinh tế lớn bởi chi phí sản xuất và làm lạnh
nitơ rẻ hơn so với chi phí này đối với heli. Hệ thống làm lạnh sẽ tiêu hao một phần
năng lượng từ dây cáp nhưng ở mức nhỏ hơn rất nhiều nếu so với lượng thất thoát
điện năng khi sử dụng đường dây điện bằng đồng.
Hiện nay, hệ thống cáp điện siêu dẫn đã được lắp đặt thử nghiệm tại đảo Long
Island, California và tiếp theo sẽ là thành phố New York. Nếu thành công, dự kiến
mạng lưới truyền tải điện của Manhattan, Mỹ sẽ được nâng cấp toàn diện vào năm
2010 bằng loại cáp điện mới này.

15


4.2 Đoàn tàu chạy trên đệm từ
Ai cũng biết rằng xe lửa khơng nhanh bằng máy bay, nhưng đó khơng phải là một
điều thiên kinh địa nghĩa. Chẳng lẽ xe lửa không thể so tài cao thấp với máy bay
ư ? Thế thì vì sao hiện nay xe lửa chạy khơng nhanh bằng ? Đó là vì nó có bánh xe
đấy. Xe dựa vào các bánh xe đỡ để đi trên đường, đó là chuyện đã thấy từ mấy
nghìn năm nay, bánh xe và mặt đất có ma sát ảnh hưởng đến việc nâng cao tốc độ
xe. Ngoài ra để xe có thể đi được cịn phải xây đường bộ, đường sắt, bắc cầu. Chỉ

xem xét từ mấy điểm đó đã thấy xe lửa không thuận tiện bằng máy bay. Thế nhưng
liệu có thể bỏ bánh xe lửa đi được khơng ?

Ngay từ đầu thế kỷ 19 đã có người đề xuất rằng dùng dịng khí phun xuống dưới
tạo thành “ đệm khơng khí ” thay thế bánh xe đỡ đồn tàu. Chỉ tiếc là thời đó chưa
thể sản xuất được loại khí có áp suất cao như vậy để hình thành một đệm khí có thể
đỡ đồn tàu, nên kế hoạch này không thể thực hiện được.
Vào cuối những năm 60 của thế kỷ 20, lần đầu tiên xuất hiện đồn xe có đệm khí,
lợi dụng khơng khí áp suất cao để nâng lên. Khi vận hành, nó phun khơng khí áp
suất cao xuống dưới, cột khí có thể nâng xe lên đến độ cao cách mặt đất từ 1 cm - 1
m. Đồn tàu đệm khơng khí đã phá vỡ phương thức cổ xưa là bánh xe lăn trên
đường ray; lực cản lên đoàn tàu này nhỏ, chấn động nhỏ, tốc độ tăng lên rất nhiều,
khi nhanh nhất tốc độ giờ đạt trên 500km. Ngoài việc dùng đệm khơng khí ra cịn
lợi dụng từ lực để nâng đồn xe lên. Năm 1971 đoàn tàu dùng đệm từ lần đầu tiên ra
16


đời. Trên đường ray của loại tàu này có lắp những vịng dây dẫn điện có thể sinh ra
từ trường.ở dưới gầm tàu lắp những thanh từ siêu dẫn, lợi dụng nguyên lý hai thanh
từ cùng cực thì đẩy nhau để nâng đoàn tàu lên cách mặt đường ray vài centimét.
Hiện nay tốc độ giờ của đoàn tàu dùng đệm từ đã đạt tới trên 500 km. Để cân bằng
sự trơi dạt khơng định hướng được do dịng khí cao tốc sinh ra, trên xe lửa có lắp
thêm cánh đi khiến trơng nó rất giống một chiếc máy bay. Xe lửa khơng có bánh
đã khử được sức cản ma sát của mặt đất nhưng vẫn chưa triệt để loại trừ được sức
cản của khơng khí. Xem ra khơng khí cũng là một chướng ngại lớn trong việc nâng
cao tốc độ đồn tàu. Liệu có thể để đồn tàu khơng bánh chạy trong chân khơng
khơng? Đã có người nêu ra đồn tàu đường ống. Đem đường ống chôn xuống đất.
Bên trong ống đặt đường rây, lợi dụng từ lực nâng đoàn tàu lên phía trên đường rây,
lại đem phía trước đồn tàu biến thành chân khơng, đồng thời đưa khơng khí vào
phía sau đồn tàu, nhờ sự chênh lệch áp suất ở hai đầu đẩy đoàn tàu chạy với tốc độ

cao trong đường ống, dự tính tốc độ giờ có thể đạt tới 1000 km. Toàn tàu chạy với
tốc độ siêu thanh này vừa sạch lại vừa khơng có tiếng ồn và ơ nhiễm, so với máy
bay bình thường càng nhanh hơn. Hiện nay nó cịn ở giai đoạn chế thử, một khi đã
đưa vào sử dụng, xe lửa khơng có bánh sẽ như trở thêm cánh, ngồi nó một ngày có
thể đi một vịng quanh trái đất.

4.3 Tạo ra Máy gia tốc mạnh
Trong ứng dụng năng lượng nguyên tử, bên cạnh lò phản ứng hạt nhân, gần đây
máy gia tốc nói chung và máy gia tốc tuyến tính LINAC nói riêng đang nổi lên như
là thiết bị quan trọng của lĩnh vực cơng nghệ cao, góp phần thúc đẩy sự phát triển
chung của nền y khoa hiện đại và sản xuất công nghiệp tiên tiến. Đầu tư từng bước
xây dựng năng lực khoa học và công nghệ (KH&CN) trong lĩnh vực sử dụng máy
gia tốc là rất cần thiết trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập.
Nói đến máy gia tốc nhiều người nghĩ rằng, chúng ta đang nói đến lĩnh vực vật lý
năng lượng cao với những cỗ máy “khủng” và những nghiên cứu “cơ bản” trong các
trường đại học hay trong các viện nghiên cứu lớn. Ngay cả những người làm công
tác nghiên cứu khoa học ít có điều kiện tiếp cận với các lĩnh vực liên quan cũng có
tâm lý “e ngại” khi thảo luận về máy gia tốc. Điều đó khơng ngạc nhiên vì máy gia

17


tốc trong thời kỳ đầu đã được thiết kế để phục vụ nghiên cứu cấu trúc của hạt nhân
nguyên tử. Trải qua một giai đoạn dài tiến hóa, máy gia tốc đã phát triển khá đa
dạng và có rất nhiều ứng dụng trong sản xuất và đời sống, bên cạnh những nghiên
cứu về vật lý năng lượng cao. Có rất nhiều lĩnh vực cơng nghệ cao được tích hợp
trong một máy gia tốc và kết hợp với máy gia tốc để tạo ra những công nghệ mới
như công nghệ vật liệu, sóng cao tần, chân khơng, điện từ trường, laser… Nhờ
những tiến bộ chung của công nghệ, ngày nay, chúng ta có thể dễ dàng tiếp cận với
các thiết bị sử dụng máy gia tốc, như trạm soi container, máy chụp cắt lớp CT trong

bệnh viện hay “vơ tình” sử dụng các sản phẩm nhờ máy gia tốc, như các chi tiết
bằng nhựa, cao su chịu nhiệt, siêu bền trong ô tô, màn hình cảm ứng điện thoại di
động, các con chip bán dẫn trong các linh kiện điện tử nằm trong các dụng cụ gia
đình hay các thực phẩm như trái cây, gia vị được bảo quản nhờ chiếu xạ trên máy
gia tốc… Có thể nói, sự tiến bộ của KH&CN đã thúc đẩy sự phát triển của máy gia
tốc và ngược lại, máy gia tốc cũng đã góp phần quan trọng vào những tiến bộ mang
tính đột phá về cơng nghệ, làm thế giới biến đổi nhanh chóng như ngày nay.
Trên thực tế, số lượng máy gia tốc được sử dụng cho nghiên cứu khoa học trên thế
giới chỉ khoảng vài trăm (chiếm khoảng 3%) so với hơn 30.000 máy sử dụng trong
các bệnh viện, nhà máy hóa chất và sản xuất vật liệu [Hana Samy, 2012]. Máy gia
tốc tham gia vào đời sống và sản xuất theo rất nhiều cách. Hơn nửa thế kỷ qua, máy
gia tốc được sử dụng để sản xuất đồng vị và dược chất phóng xạ cho các khoa chẩn
đốn hình ảnh, chữa trị cho hàng triệu bệnh nhân mắc ung thư và các bệnh hiểm
nghèo khác; khử trùng và bảo quản thực phẩm; chế tạo vật liệu bán dẫn, sản xuất
polymer biến tính; phân tích tìm hiểu cấu trúc vật liệu, tạo tia laser siêu năng
lượng… Tỷ lệ sử dụng máy gia tốc trong y tế và trong sản xuất công nghiệp là
50/50. Trong ngành y tế ở các nước phát triển, trung bình cứ 1 triệu người dân thì có
khoảng 5-10 máy gia tốc tuyến tính LINAC. Theo thống kê ở Mỹ, nếu 1 máy gia
tốc điện tử giá trị khoảng 2 triệu USD thì trong suốt thời gian khai thác, nó có thể
tạo ra giá trị sản xuất trung bình khoảng 2 tỷ USD (nghĩa là lợi ích 1.000 lần).
Trong tương lai, máy gia tốc có thể tham gia vào q trình truyền tải năng lượng
khơng dây trong khơng gian, chuyển đổi nhân phóng xạ làm giảm thiểu tính nguy
hiểm của các chất thải hạt nhân, phá hủy bất hoạt nhiên liệu trong vũ khí hạt nhân,

18


tạo tia siêu laser cho các phản ứng cần năng lượng cao và tham gia vào cơng nghệ
lị phản ứng hạt nhân dưới tới hạn thế hệ mới nhằm cải thiện tính an tồn cho các
nhà máy điện hạt nhân. Các nhà khoa học cũng dự báo rằng, ngoài việc sản xuất ra

một số đồng vị đặc thù cho kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh PET, máy gia tốc sẽ dần
thay thế lò phản ứng hạt nhân để sản xuất các đồng vị phóng xạ sử dụng cho y tế và
công nghiệp thông qua các phản ứng quang hạt nhân do lợi thế về chi phí sản xuất,
ưu điểm về an toàn và an ninh hạt nhân.
Nhu cầu nghiên cứu - phát triển các ứng dụng trên máy gia tốc đã thúc đẩy sự
phát triển của nhiều ngành khoa học như khoa học vật liệu, vật lý hạt nhân năng
lượng cao, hóa bức xạ, cơng nghệ nano và siêu dẫn… Có thể nói, nếu lị phản ứng
hạt nhân đóng vai trò chủ lực vào thời kỳ sau chiến tranh thế giới thứ 2 thì máy gia
tốc đang tạo ra kỷ nguyên mới trong lĩnh vực năng lượng nguyên tử phục vụ mục
đích hịa bình.
Máy gia tốc đã được phát triển rất phong phú và đa dạng, từ loại khổng lồ như
Tevatron của Phịng thí nghiệm Fermi, Hadron của Liên hợp CERN tại Geneva
chuyên dụng cho nghiên cứu siêu năng lượng đến các cyclotron gia tốc hạt ion và
máy gia tốc tuyến tính LINAC chuyên dùng cho các ứng dụng y tế và sản xuất công
nghiệp. Theo Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế - IAEA và Hiệp hội chiếu xạ
quốc tế - IIA thì xu thế của máy gia tốc tuyến tính LINAC được thiết kế nhỏ gọn và
giá thành hạ cho những công việc riêng như sản xuất đồng vị cho PET, xạ trị… sẽ
thay thế dần các máy cyclotron đắt tiền.
Người ta dùng những nam châm cực mạnh để bẻ cong các chùm hạt, làm cho
chúng chạy theo đường tròn để chúng va đập vào nhau, qua đó nghiên cứu những
“mảnh” sinh ra do những va đập mạnh đó, người ta gọi đó là siêu va đập siêu dẫn”
dựa theo nguyên tắc này, các nhà khoa học Mỹ đang tiến hành xây dựng một “ máy
gia tốc cực mạnh” trong đường hầm dài 88km ở bang Texec để nghiên cứu các hạt
cơ bản của vật chất
Ở Việt Nam, máy gia tốc phát neutron đầu tiên vào những năm 70 của thế kỷ XX
được đặt tại Viện Vật lý (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) chủ yếu phục vụ nghiên
cứu trên mẫu địa chất. Hiện nay, cả nước đã có khoảng 30 thiết bị các loại, phân bố
chủ yếu tại một số bệnh viện lớn như: Quân đội 108, Bạch Mai, Chợ Rẫy, K, Đa

19

khoa quốc tế Vinmac… với mục đích xạ trị và sản xuất dược chất phóng xạ trong xạ
hình PET/CT. Khoảng 14 máy gia tốc tuyến tính phát tia X gắn trên thiết bị soi
container tại các cảng biển và cửa khẩu, 2 máy gia tốc điện tử cho chiếu xạ công
nghiệp. Các thiết bị này được nhập về dựa trên nhu cầu thực tế, đội ngũ vận hành do
các hãng cung cấp đào tạo. Tuy nhiên, do không chủ động trong việc xây dựng các
hướng nghiên cứu liên quan nên năng lực KH&CN chưa đáp ứng được nhu cầu đảm
bảo vận hành, khai thác đạt hiệu quả các thiết bị đã được trang bị. Nhiều thiết bị
hiệu suất sử dụng chỉ khoảng 20%, chưa kể có thiết bị nhập về chạy thử rồi để đó.
Cũng chưa có quy trình sản xuất nào được nghiên cứu để lắp đặt trên cơ sở máy gia
tốc.

Một máy gia tốc như loại LINAC thường bao gồm các hệ thống phụ trợ xung
quanh ống gia tốc Klystron như hệ thống chân không cao cấp, hệ cao thế, bộ phận
từ trường lái tia, bộ phận làm mát, bộ biến đổi và chuẩn trực, hệ thống điều khiển…
Dựa trên quy trình sản xuất đã được nghiên cứu thiết lập bởi các chuyên gia trong
lĩnh vực hóa bức xạ, hóa phóng xạ, vật lý hạt nhân hay y sinh phóng xạ… các hệ
thống phối hợp được thiết kế chế tạo, xây dựng xung quanh máy gia tốc để sử dụng
20


chùm bức xạ đạt hiệu quả. Như thế, việc nghiên cứu ứng dụng máy gia tốc sẽ bao
gồm sự tham gia và đồng thời thúc đẩy nhiều lĩnh vực KH&CN liên quan.
Để thúc đẩy ứng dụng năng lượng nguyên tử, góp phần tích cực vào cơng cuộc
cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập quốc tế của đất nước, thiết nghĩ chúng ta
cần phải đầu tư xây dựng năng lực với các nhóm (phịng thí nghiệm) chun mơn
có các lĩnh vực chuyên ngành liên quan như đã nêu ở trên để nghiên cứu - phát triển
công nghệ dựa trên máy gia tốc, bao gồm từ khâu mua sắm máy gia tốc đến việc
nghiên cứu quy trình ứng dụng tạo ra sản phẩm từ xử lý bức xạ và nghiên cứu thiết

kế, chế tạo các dây chuyền công nghệ xung quanh máy gia tốc.

4.4 Máy đo điện trường chính xác
Máy đo điện trường trái đất dò nước ngầm sâu 600 mét sử dụng các điện cực để
đo điện trường tự nhiên của trái đất, dựa vào đó để nghiên cứu, thu thập những thay
đổi bất thường trong lòng đất. Sau đó thơng qua phần mềm trên máy tính để tạo ra
các biểu đồ mặt cắt lớp địa chất, giúp cho việc tìm kiếm khống sản, tìm nước
ngầm, khảo sát địa chất cơng trình… trên đất liền được dễ dàng hơn.

Thiết bị đo điện trường trái đất dò nước ngầm sâu 600m được thiết kế gọn nhẹ
nằm trong một vali nhôm, cách sử dụng đơn giản nhưng cho hiệu quả, độ chính xác
cao, có khả năng chống nhiễu từ mơi trường bên ngoài mạnh mẽ.

21


Ưu điểm của Máy đo điện trường trái đất dò nước ngầm sâu 600m:


Hiệu quả và tốc độ đo cao: Hoàn thành hơn 6000 mét phép đo mặt cắt
ngang trong một ngày để thấy rõ sự bất thường của địa chất ở độ sâu khác
nhau, tốc độ và hiệu quả thăm dò được cải thiện khoảng 10 lần hơn so với
phương pháp điện trở suất truyền thống.



Thuận tiện để mang theo: Không sử dụng nguồn cung cấp nặng nề, mà sử
dụng các tín hiệu tần số thấp trong điện trường tự nhiên của trái đất như tín
hiệu nguồn, nên trọng lượng của thiết bị là rất nhỏ gọn (dưới 4kg) dễ dàng
cho việc vận chuyển.



Hoạt động đơn giản: Thiết bị được điều khiển tự động bằng vi máy tính, và
bạn chỉ cần thực hiện những thao tác đơn giản để thăm dò. Mất khoảng 10
phút cho việc học cách sử dụng thiết bị và khoảng 30 phút cho người chưa có
kinh nghiệm.



Độ chính xác cao: Sử dụng các bộ khuếch đại và chuyển đổi AD hiệu suất
cao, và các kỹ thuật lọc kỹ thuật số FFT cho độ chính xác phép đo của máy
dị nước ngầm lên đến 0.01mV, có thể so sánh với sự ổn định của một số
lượng lớn các bài kiểm tra thực địa đạt được với phương pháp truyền thống
của thiết bị điện trường nhân tạo.



Khả năng chống nhiễu mạnh mẽ: Sử dụng công nghệ và nhiều thiết kế
chống nhiễu tiên tiến. Bạn có thể quan sát kết quả các đường cong bất thường
từ bản mô phỏng rõ nét ngay cả trong khu vực tín hiệu yếu, thành phố, khu
vực có nhiễu điện cao và khu vực làm việc với sự can thiệp từ bên ngoài khác
qua bộ chọn tần và xử lý kỹ thuật số.



Điện cực linh hoạt: Các điện cực sử dụng chất liệu nhựa và đồng chất
lượng cao giúp cho việc thao tác dễ dàng, tiết kiệm nhiều thời gian, cho độ
chính xác cao.

4.5 Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc

22


Trong đời sống thực tế, vật liệu siêu dẫn đang chiếm 1 phần quan trọng trong cuộc
sống chúng ta . dễ nhận thấy nhất là bếp điện từ được ứng dụng từ chính nguyên lý
này.
Cấu tạo bếp điện từ bao gốm:
- Mặt bếp: làm bằng sứ thủy tinh cao cấp chịu được nhiệt độ cao và chịu được va
chạm.
- Cuộn dây tạo từ trường: là một cuộn dây phẳng dạng đĩa đặt bên dưới mặt bếp.
- Mạch điện tử công suất: gồm nhiều linh kiện điện tử phức tạp có khả năng tăng
giảm biên độ của dòng điện xoay chiều, có khả năng thay đổi tần của dịng điện đi
vào cuộn dây
- Bảng điều khiển: gồm các nút chức năng để đặt chức năng và điều khiển chế độ
làm việc của bếp các nút chức năng để đặt chức năng và điều khiển chế độ làm việc
của bếp.
Thành phần quan trọng nhất trong cấu tạo bếp điện từ là mạch cơng suất và cuộn
cảm.
Đối với các loại lị nung tần số cơng nghiệp (lị trung tần, lị cao tần…), vịng cảm
ứng (cuộn cảm) thường dùng các loại ống đồng (có nước làm mát chạy bên trong)
do nhiệt độ phôi nung cao và rất cao (từ 800 độ C trở lên). Cịn trong bếp điện từ,
do nhiệt độ và cơng suất thường nhỏ (so với lị cơng nghiệp), cuộn cảm thường
dùng dây cáp đồng (được sơn hoặc tráng một lớp cách điện) quấn tròn trên một mặt
phẳng và hệ thống làm mát chỉ cần dùng quạt cỡ nhỏ (thường là loại 8 ~ 12 cm).

Nguyên lý hoạt động của bếp từ như sau:

23

Nung nóng cảm ứng (nung tần số) là hiện tượng nhiệt sinh ra trong vật liệu kim
loại (chủ yếu là các hợp kim sắt từ) khi có một trường điện từ biến thiên đi qua. Khi
đó, trong vật liệu sẽ xuất hiện một dòng điện cảm ứng (dòng Foucault) tương tác
với trở kháng của kim loại để sinh nhiệt (theo định luật Joule – Lens).
Khi trong cuộn dây có dịng điện biến thiên (dòng điện tần số cao) chạy qua, nó
tạo nên một trường điện từ (có các đường sức từ màu vàng cam) tương tác với nồi
kim loại làm cho nồi nóng lên, nhiệt lượng đó được truyền từ nồi vào các đồ nấu
bên trong. Và vùng bên ngoài nồi thì khơng bị ảnh hưởng (nếu nhấc nồi ra khỏi bếp
hoặc tắt bếp, q trình nung nóng cũng kết thúc ngay lập tức).
Khi cắm điện vào bếp từ mạch dao động điên LC sinh ra 1 từ trường biến thiên
trên mặt bếp, Nếu có vật dẫn từ trên mặt bếp thì trong lịng vật dẫn từ có 1 dịng
điện chạy nội tại trong nó, dịng điện này có tác dụng sinh nhiệt lớn, dịng điện này
gọi là dịng FUCO.
Vì lý do đó, nồi nấu phải được chế tạo bằng vật liệu sắt từ, các nồi thủy tinh hay
gốm sứ không dùng trực tiếp trên bếp từ được mà cần có thêm đĩa từ lót ở dưới. Do
nồi được làm nóng trực tiếp nên hiệu suất truyền nhiệt rất cao, ít tổn thất nhiệt. Phần
mạch điện bên trong có sử dụng cầu chỉnh lưu AC-DC, mạch dao động tần số cao,
IGBT điều khiển công suất, cuộn dây cảm ứng và tất nhiên là phải có
MicroController để điều chỉnh và kiểm soát chế độ nấu…

4.6 Máy quét MRI dùng trong y học
Chụp cộng hưởng từ hay chụp MRI (Magnetic Resonnace Imaging) là một trong
những kỹ thuật chẩn đốn hình ảnh tiên tiến nhất hiện nay. Đây là phương pháp đưa
cơ thể vào vùng từ trường mạnh để đồng hóa chiều chuyển động của các nguyên tử
Hydro trong các phân tử nước của cơ thể và một ăng ten thu phát sóng radio tần số
thấp (tần số radio này được thay đổi trong vùng từ trường ổn định của nam châm
chính tùy theo mục đích khảo sát của sự phân biệt mỡ, nước...) được sử dụng để gửi
tín hiệu đến cơ thể gặp các nguyên tử Hydro của cơ thể sau đó nhận lại tín hiệu về

chiều chuyển động của các nguyên tử này, tín hiệu của ăng ten được truyền về trung
tâm xử lý tín hiệu và tái tạo thành hình ảnh cấu trúc của các cơ quan, bộ phận trong

24


cơ thể cần khảo sát. Những hình ảnh thu nhận được sẽ cung cấp nhiều thơng tin có
giá trị trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh.

Nhờ sử dụng từ trường và sóng radio, khơng sử dụng tia X nên MRI rất an toàn
cho bệnh nhân. Đây là một kỹ thuật nhanh, gọn không gây ảnh hưởng phụ, là một
phương pháp chẩn đốn hình ảnh hiện đại, hiệu quả và phổ biến trên thế giới. Ngày
nay, MRI được sử dụng để kiểm tra gần như mọi cơ quan trong cơ thể. Kỹ thuật này
đặc biệt có giá trị trong việc chụp ảnh chi tiết não hoặc dây cột sống. Kể từ khi MRI
mang lại những hình ảnh 3 chiều, bác sĩ có thể nắm được thơng tin về vị trí thương
tổn. Những thơng tin như vậy rất có giá trị trước khi phẫu thuật chẳng hạn như tiểu
phẫu não.
Trong cơ thể người chứa rất nhiều nước, đồng nghĩa với có nhiều ngun tử hydro
(proton). Ngồi ra, trong những mơi trường khác nhau thì quá trình hồi phục của
các hạt nhân diễn ra khác nhau. Do đó, tín hiệu phát ra tại giữa vùng bình thường và
khối u, hay giữa mơ cứng và mơ mềm sẽ khơng giống nhau. Từ đó ta sẽ có các hình
ảnh khác nhau
Cơ thể chúng ta cấu tạo chủ yếu từ nước (60-70%). Trong thành phần của phân tử
25