BÁO cáo CUỐI kỳ đề tài siêu dẫn (superconductivity) và ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
==================

BÁO CÁO CUỐI KỲ
Đề tài:

“Siêu dẫn (superconductivity) và ứng dụng”

Sinh viên:

Trần Đức Giảng

Trần Như Bảo Khánh
Hà Xuân Huy
Người hướng dẫn: TS. Phan Trần Đăng Khoa

Đà Nẵng, Ngày 02 Tháng 12 năm 2020



3

MỤC LỤC

Giới thiệu và phân công nhiệm vụ ................................................................ 3
1. Lý thuyết ................................................................................................... 4
2. Ứng dụng ................................................................................................... 5
Kết luận ........................................................................................................... 6
Tài liệu tham khảo.......................................................................................... 7

4

Phân công nhiệm vụ

Hà Xuân huy: Làm slides
Trần Đức Giảng: Làm báo cáo, tìm kiếm tài liệu tham khảo
Trần Như Bảo Khánh: Làm báo cáo, chỉnh sửa slides và bài báo cáo


5

Lời mở đầu
Đề tài “siêu dẫn (superconductivity) và ứng dụng .trong tài liệu này,
chúng em trình bày về vài nét của quá trình lịch sử về phát hiện các chất siêu
dẫn, những lý thiếu 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, trong ứng dụng siêu dẫn và công
nghệ hiện đại.


LÝ THUYẾT
Siêu dẫn (superconductivity) và ứng dụng
I. Hiện tượng siêu dẫn
1.

Khái niệm hiện tượng siêu dẫn

- Siêu dẫn là một trạng thái vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn mà ở đó nó

cho phép dịng điện chạy qua trong trạng thái khơng 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 không

- Về nguyên tắc, ở dưới nhiệt độ chuyển pha, điện trở của chất siêu dẫn xem
như hoàn tồn biến mất. 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.
3.

Nhiệt độ tới hạn và bộ rộng chuyển pha

- Ở nhiệt độ xác định (TC) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là
chất đó có thể cho phép dịng điên chạy qua trong trạng thái khơng 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 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
2.1:vài nét về lịch sử phát hiện của các chất siêu dẫn

LỊCH SỬ CỦA 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.
-Đến tháng 1/1986 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.
-Cho đến nay, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được với một chất gốm siêu dẫn
mới là 125 độ K.
2.2:Tính chất từ


2.2.1:Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng
-Nghịch từ là các chất khơng có moment từ (tổng vector từ quỹ đạo và từ
spin của toàn bộ điện tử bằng 0) như các khí hiếm và ion có lớp electron giống
khí hiếm. Khi đặt vào từ trường ngoài, trong các phân tử sẽ xuất hiện dòng điện
phụ và tạo ra từ trường phụ ngược chiều từ trường ngoài theo xu hướng cảm
ứng điện từ. Hiện tượng moment từ được sinh ra có chiều ngược với chiều từ
trường sinh ra nó, có thể được xem là kết quả của định luật Lenz ở mức độ
nguyên tử. Nghịch từ là tính chất của mọi nguyên tử. Nhưng nếu nguyên tử có
moment lưỡng cực từ nội tại thì hiệu ứng nghịch từ bị che mất bởi tính thuận từ
hoặc sắt từ mạnh hơn.
.
2.2.2:tính thuận từ
-Thuận từ là những chất có từ tính yếu. Thuận từ thể hiện ở khả năng hưởng
ứng thuận theo từ trường ngồi, có nghĩa là các chất này có moment từ nguyên

tử (nhưng giá trị nhỏ). Trái ngược với nghịch từ, khi có tác dụng của từ trường
ngồi, các moment từ này sẽ bị quay theo từ trường ngoài, làm cho cảm ứng từ
tổng cộng trong chất tăng lên. Nếu điều kiện lí tưởng, tất cả moment lưỡng cực
từ sẽ hướng theo từ trường. Tuy nhiên quá trình sắp xếp bị nhiễu loạn mạnh bởi
chuyển động nhiệt. Sự va chạm giữa các nguyên tử khiến nguyên tử đã định
hướng xong thành chưa được định hướng. Vì vậy, khi đặt mẫu trong từ trường
ngồi, nó vẫn có được moment từ nhưng nhỏ hơn rất nhiều so với moment cực
đại khả dĩ.

2.2.3:tính sắt từ
-Sắt từ là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác
dụng của từ trường ngoài, mà tiêu biểu là sắt (Fe), và tên gọi "sắt từ" được đặt
cho nhóm các chất có tính chất từ giống với sắt. Các chất sắt từ có hành vi gần
giống với các chất thuận từ ở đặc điểm hưởng ứng thuận theo từ trường ngồi.
Tính sắt từ dùng để chỉ thuộc tính (từ tính mạnh) của các chất sắt từ.

2.2.:hiệu ứng Meissner


-Hiệu ứng Meissner (hay hiệu ứng Meissner nhận Ochsenfeld ) là sự trục
xuất của từ trường khỏi chất siêu dẫn trong q trình chuyển sang trạng thái siêu
dẫn. Thí nghiệm lần đầu tiên chứng minh rằng chất siêu dẫn không chỉ là chất
dẫn hoàn hảo và cung cấp một đặc tính xác định duy nhất của trạng thái siêu
dẫn. Khả năng cho hiệu ứng trục xuất được xác định bởi bản chất của trạng thái
cân bằng được hình thành bởi sự trung hòa trong tế bào đơn vị của chất siêu
dẫn.
Một chất siêu dẫn có ít hoặc khơng có từ trường bên trong nó được cho là ở
trạng thái Meissner. Trạng thái Meissner bị phá vỡ khi từ trường ứng dụng quá
lớn.
2.2.3:Từ trường tớ hạn

-Dưới tác dụng của từ trường đã làm cho trạng thái siêu dẫn → trạng thái
thường. Giá trị xác định của từ trường (Hc) (hay giá trị xát định làm mất trạng
thái siêu dẫn) được gọi là từ trường tới hạn (hay từ trường tới hạn nhiệt động):
Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = T c thì Hc(Tc) = 0. Đường cong Hc phụ
thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng. Đường này 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 là trạng thái thường.
2.2.4:Dòng tớ hạn
-Dòng cực đại đạt dược trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới
hạn - Ic. Năm 1913, Kamerlingh Onnes: 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 năm 1916 Silsbee: Vai trò quyết định để đưa vật liệu từ
trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng dịng tới hạn
khơng phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trường do dịng I sinh
ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu dẫn . Thực nghiệm dây siêu dẫn trịn
có đường kính a, dịng 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= công thức Silsbee


Ngồi khái niệm dịng tới hạn (Ic) thơng thường, người ta còn dùng khái niệm
mật độ dòng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn (Đơn vị A/cm2). 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 mặt. Trạng thái siêu dẫn cũng
bị phá vỡ nếu mật độ dòng siêu dẫn vượt quá một giá trị xác định, đó là giá trị
mật độ dịng tới hạn Jc.
Có hai sự đóng góp vào dịng điện chạy trên bề mặt chất siêu dẫn. Dòng điện
chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên ngồi như pin, acquy gọi là “dịng
truyền” ( nó truyền điện tích vào và ra khỏi dây). Nếu dây dẫn đặt trong từ
trường, các dòng chắn sẽ bao quanh để hủy các đường từ thông ở bên trong kim
loại. Các dòng chắn này chồng lên trên dòng truyền và ở nhiểu điểm, mật độ

dịng có thể xem như là tổng các thành phần , do dòng truyền và thành
phần được làm tăng lên từ các dòng chắn: = +
Có thể dự đốn rằng siêu dẫn sẽ bị phá vỡ nếu độ lớn của tổng mật độ dòng ở
các điểm vượt quá mật độ dòng tới hạn . Phương trình London biểu diễn mối
liên hệ giữa mật độ dịng siêu dẫn ở các điểm và mật độ từ thông tại điểm
đó: H=
Nếu tổng dịng điên chạy trên chất siêu dẫn là đủ lớn thì mật độ dịng ở bề
mặt đạt đến giá trị tới hạn J c và độ lớn từ trường tham gia ở bề mặt sẽ có giá trị
là Hc. Ngược lại. Điều này dẫn đến giả thuyết chung: “Chất siêu dẫn bị mất đi
điện trở không của nó khi mà tổng độ lớn từ trường do dòng truyền và từ trường
đặt vào vượt quá độ lớn từ trường tới hạn Hc tại các điểm trên bề mặt của
nó”. Giá trị cực đại của dịng truyền dọc theo một ngun tố siêu dẫn
khơng điện trở là dịng tới hạn của ngun tố đó. Nếu khơng có từ trường đặt
vào, mà chỉ có từ trường được sinh ra do các dịng truyền, thì dịng tới hạn sẽ là
sinh ra độ lớn từ trường tới hạn Hc ở bề mặt vật dẫn (công thức và giả thuyết
Silsbee). Như vậy, độ lớn của Hc phụ thuộc vào to, nó giảm đi khi to tăng lên và
trở thành 0 tại Tc. Điều này chứng minh rằng Jc phụ thuộc vào to theo cách giống
nhau
2.2.5:Mối liên hệ giữa dòng tới hạn và từ trường tới hạn
-Xét dây dẫn hình trụ có bán kính a và dịng điện chạy qua nó là i. Nếu khơng
có từ trường ngồi, thì dịng điện I sẽ sinh ra từ trường ở bề mặt dây dẫn với độ
lớn Hi tn theo phương trình sau: I=2πaHi. Dịng tới hạn tương ứng sẽ


là: ic =2πaHi. Hệ thức này xác định cách đo dòng cực đại của dây siêu dẫn. Kết
quả thực nghiệm cho thấy rằng: trong trường hợp khơng có từ trường ngồi,
phương trình tiên đốn được chính xác giá trị ic. Trong từ trường yếu hoặc khi
khơng có từ trường thì giá trị dòng tới hạn của các chất siêu dẫn có thể rất cao.
2.2.6:Từ trễ
-Từ trễ (tiếng Anh: magnetic hysteresis) là hiện tượng bất thuận nghịch giữa

q trình từ hóa và đảo từ ở các vật liệu sắt từ do khả năng giữ lại từ tính của
các vật liệu sắt từ. Hiện tượng từ trễ là một đặc trưng quan trọng và dễ thấy nhất
ở các chất sắt từ.
Khi lõi thép bị từ hố bởi từ trường ngồi, triệt tiêu từ trường ngồi, trong lõi
thép vẫn cịn tồn tại từ trường, gọi là từ dư
Khi lõi thép có từ dư, ta áp từ trường ngồi có chiều ngược với chiều của từ
dư và độ lớn bằng B, khi đó từ trường lõi thép bị triệt tiêu. Khi đó, B được gọi
là từ trường kháng từ
Đường cong kín hay chu trình từ trễ của một chất diễn tả sự phụ thuộc của sự từ
hố trong chất đó vào từ trường ngồi
Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua đường cong từ trễ (Từ độ - từ
trường, M(H) hay Cảm ứng từ - Từ trường, B(H)), được mô tả như sau: sau khi
từ hóa một vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, nếu ta giảm dần từ trường và
quay lại theo chiều ngược, thì nó khơng quay trở về đường cong từ hóa ban đầu
nữa, mà đi theo đường khác. Và nếu ta đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều
này sang chiều kia), thì ta sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ
hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại đặc trưng của các
vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện khả năng từ tính của các chất sắt từ.


2.3:Tính chất nhiệt
2.3.1:Sự lan truyền nhiệt trong siêu dẫn
2.3.2:Độ dẫn nhiệt của các chất siêu dẫn
VẬT LIỆU
=(K)
Thủy ngân
4.15
Kẽm
0.85
Nhơm

0.19
Chì
7.19
2.3.3:Các hiệu ứng nhiệt điện
-Hiệu ứng nhiệt điện, hay hiệu ứng Peltier-Seebeck, là sự chuyển nhiệt
năng trực tiếp thành điện năng và ngược lại, trên một số kết nối giữa hai vật dẫn
điện khác nhau. Kết nối này thường gọi là cặp nhiệt điện. Cụ thể, chênh
lệch nhiệt độ giữa hai bên kết nối sinh ra một hiệu điện thế giữa hai bên kết nối
và ngược lại. Hiệu ứng này là cơ sở cho ứng dụng trong một số máy lạnh và pin
nhiệt điện, khơng có các bộ phận chuyển động.
Chú ý phân biệt hiệu ứng vật lý này với từ nhiệt điện, chỉ các phương pháp
chuyển hóa nhiệt năng sang điện năng một cách tổng quát, trực tiếp hay gián
tiếp, sử dụng hệ thống có hay khơng có các bộ phận chuyển động.
2.3.4:Chất siêu dẫn nhiệt độ cao
- tính chất thực sự đáng chú ý của vật liệu lượng tử siêu dẫn là sự mất hoàn toàn
điện trở trong các điều kiện khá cụ thể và đôi khi rất khắc nghiệt. Mặc dù có
tiềm năng to lớn cho máy tính lượng tử và máy dị có độ nhạy cao, việc ứng
dụng chất siêu dẫn bị cản trở bởi các đặc tính có giá trị của chúng thường chỉ có
ở điều kiện nhiệt độ rất thấp hoặc áp suất cực cao.
2.4:vật liệu từ
2.4.1:Vật liệu từ mền
-Vật liệu từ mềm, hay vật liệu sắt từ mềm (tiếng Anh: Soft magnetic material)
là vật liệu sắt từ, "mềm" về phương diện từ hóa và khử từ, có nghĩa là dễ từ hóa


và dễ khử từ. Vật liệu sắt từ mềm thường được dùng làm vật liệu hoạt động
trong trường ngồi, ví dụ như lõi biến thế, lõi nam châm điện, các lõi dẫn từ.

2.4.2:Vật liệu từ cứng
-Vật liệu từ cứng là vật liệu sắt từ, khó khử từ và khó từ hóa. Ý nghĩa của tính

từ "cứng" ở đây chính là thuộc tính khó khử từ và khó bị từ hóa, chứ khơng xuất
phát từ cơ tính của vật liệu từ.
III: ỨNG DỤNG SIÊU DẪN
•
•
•
•
•
•

Chuyển tải điện năng.
Đồn tàu chạy trên đệm từ
Tạo ra Máy gia tốc mạnh.
Máy đo điện trường chính xác.
Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc.
Máy quét MRI dùng trong y học.