BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
lớp 3A
  

Đề tài: Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Văn Hoàng
Nhóm thực hiện: Vũ Trúc Thanh Hoài
Huỳnh Thị Hương
Nguyễn Thị Ngọc Lan (26 – 06)
Nguyễn Thị Mỹ Linh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009
1
Mục lục
Mục lục 1
Lời mở đầu 3
Lý do chọn đề tài 4
I. Hiện tượng siêu dẫn 7
I.1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn 7
I.2. Điện trở không 7
I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha 8
II. Các vật liệu siêu dẫn 9
II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn 9

IV.3.1. Vài nét về oxit siêu dẫn 41
2
IV.3.2. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy 42
IV.3.3. Chất siêu dẫn MgB2 44
IV.4. Tính chất khác 45
V. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn 46
V.1. Tàu chạy trên đệm từ. 46
V.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 48
V.3. Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao 50
V.4. Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission) 50
V.5. Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch 51
V.6. Khả năng giữ được trạng thái plasma: 52
V.7. Bom E: 52
V.8. Siêu máy tính: 53
V.9. Ăngten mini ( Miniature Antennas) 53
V.10. Công tắc quang học: 54
V.11. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn ( Superconducting Manetic Energy
Storage - SMES) 54
V.12. Các bệ phóng điện từ ( Electrmagetic Launchers): 54
V.13. Tách chiết từ: 55
V.14. Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System, MHD) 55
V.15. Máy lạnh từ: 56
V.16. Biến thế siêu dẫn 56
V.17. Máy phát điện siêu dẫn 56
V.18. Động cơ siêu dẫn 57
V.19. Thiết bị máy phát – Động cơ siêu dẫn kết hợp 57
V.20. Tàu thủy siêu dẫn 57
V.21. Thiết bị dò sóng milimet 58
V.22. Bộ biến đổi analog/digital(A/D convertor) 58
V.23. Màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng 58

4

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…
Mãi hơn 40 năm sau, hiện tượng kỳ lạ của chất siêu dẫn đã được lý giải
bằng lý thuyết vi mô. Theo đó, khác với các chất dẫn điện thông thường, ở trạng
thái siêu dẫn, hiện tượng dẫn điện là do các cặp điện tử kết hợp với nhau và khi
chuyển động tạo nên dòng điện, các cặp không bị mất mát năng lượng và điện trở
suất bằng không.
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.
5
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

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. Hy vọng đề tài sẽ là một tư liệu bổ
ích cho các bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm về một hiện tượng siêu dẫn.
Nhóm sinh viên thực hiện.
7
I. Hiện tượng siêu dẫn
I.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.
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 thành

 

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 (- 39
0
C ) là 39, 7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 0
0
(cỡ
273 K) 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).
Ở nhiệt độ xác định (T
C
) 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

kim siêu dân đầu tiên được tìm ra.
Hình 2.1
Đường cong siêu dẫn theo
nhiệt độ của thủy ngân
10
Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị
dẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này
được đặt tên là hiệu ứng Meissner.
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. John Bardeen, Leon Cooper,and John Schrieffer
Walter Meissner

& Robert ochsenfeld
11
Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm
trước 1985 đều không vượt quá 24 K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng duy nhất
nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn.
Năm 1986, J.G. Bednorz và K.A Muller (Thụy Sỹ) đã tìm ra hiện tượng siêu dẫn có
trong hợp chất gốm La – Ba – Cu – O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng
nhiệt độ Nitơ lỏng. Với phát minh này J.G. Bednorz và K.A Muller đã được nhận

o
C Năm
Hg 4,2 1911 KxC60 18 - 30 1991
Pb 7,2 1913
Hg-Ba-Ca-
Cu-O
90 - 161 1993
Nb 9,2 1930
(NH3)4Na2
CsC60
33 1994
Nb3Sn 18,1 1954 Y-Pd-B-C

23 1994
Nb3
(Al0,75Ge0
,25)
20 – 21 1966
Ln(Re)-Ni-
B-C
13 - 17 1994
Nb3Ga 30,3 1971
(Ca,Na)2Ca
Cu2O4Cl2

49 1995
Nb3Ge 23,2 - 23,9

1973
Ba-Ca-Cu-

II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng
Chất siêu dẫn ở dưới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện
trở. Hãy xem xét các tính chất từ của vật dẫn không có điện trở. Những vật dẫn như
vậy dược gọi là vật dẫn lý tưởng hoặc vật dẫn hoàn hảo.
Giả thiết rằng: làm lạnh mẫu kim loại xuống dưới nhiệt độ chuyển pha của
nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo. Điện trở vòng quanh đoạn dường khép kín
tưởng tượng bên trong kim loại là 0. Do đó, tổng từ thông bao quanh vật là không
đổi. Điều này chỉ đúng trong những trường hợp mật độ từ thông ở tất cả các diểm
bên rong kim loại không thay dổi theo thời gian, ví dụ:
0
B


(tức là
0
dB
dt


) (2.1)
Đó sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống như trước
khi kim loại mất điện trở.
Giả thiết rằng mẫu bị mất điện trở khi không có từ trường ngoài tác dụng. Vì
mật độ từ thông trong kim loại không thay đổi, cho nên nó phải là 0 thậm chí cả sau
khi có từ trường đặt vào. Trong thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây
ta dòng điện chạy quanh bề mặt mẫu và như vậy, tạo ra mật độ từ thông ở mọi nơi
trong lòng mẫu, chính xác bằng và ngược chiều với mật độ từ thông của từ trường
ngoài. Vì các dòng này không biến mất, nên mật độ từ thông mạng bên trong vật
liệu vẫn duy trì là 0. Các dòng mặt I sinh ra mật độ bên trong kim loại. Các dòng
mặt này thông thường được gọi là các dòng chắn.

. Đó là hiện tượng từ thông bị hãm. Trong điều kiện này, siêu dẫn
giống như nam châm vĩnh cửu. Như vậy mẫu không lý tưởng cho thấy:
 Có ba từ trường tới hạn khác nhau (H
C1
, H
C2
và H
C3
).
 Có đường cong từ trễ.
 Có từ thông bị hãm (bẫy).
15
Các biểu hiện này không nhất thiết phải cùng xuất hiên. Ví dụ, mẫu có thể
không có từ trường tới hạn sắc nét và có thể có tính từ trễ nhưng sẽ không bẫy các
đường từ thông. Các sai hỏng bao gồm một số lớn các nguyên tử như là các hạt của
vật thể khác hoặc hoặc những mắt xích của các nguyên tử dịch chuyển như là những
sai hỏng mạng, có khuynh hướng làm tăng tính từ trễ và bẫy từ thông. Các nguyên
tử tạp chất và sự phân bố không đồng đều của thành phần của mẫu cũng làm giảm
độ sắc nét của từ trường tới hạn trong các mẫu không lý tưởng.
II.2.3. Hiệu ứng Meissner
Một vật dẫn lý tưởng có thể có
điện trở không ở nhiệt độ tuyệt đối
(0K). Tuy nhiên, nó không 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


  
(2.2)

Hoặc trong hệ SI:
H = H
a
+ M = 0 (2.3)
1
a
M
H

  
(2.4)
Hiệu ứng Meissner là tính chất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số
từ hóa

=

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 J


 
(2.5)
Trong trạng thái siêu dẫn ρ = 0, nên:

dưới nhiệt độ T
C
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
0
B const
 

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.
 
 
(2.9)
Với H
0
là từ trường tại T = 0 và tại T = T
C
thì H
c
(T
C
) = 0.
Đường cong H
c
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.
II.2.5. Dòng tới hạn
Dòng cực đại đạt dược 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 cùa chất siêu dẫn xem như bằng không. Dòng tới hạn dược ký hiệu là I
C
.
Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: 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. Ba năm sau (năm 1916) Silsbee mới
giải thích và làm sáng tỏ hiện tượng này. Ông cho rằng vai trò quyết định để đưa vật
liệu từ trạng thái siêu dẫn sang trạng thái thường trong hiệu ứng dòng tới hạn không
19

trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn. Đơn vị thường dùng cho đại lượng
này là A/cm
2
, giá trị J
c
phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đường kính của dây
siêu dẫn.
Phần trên đã cho thấy, nếu dòng điện chạy trong mạch lớn hơn dòng tới hạn
thì trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ. Thực nghiệm cho thấy dòng tới hạn có liên quan
đến độ lớn từ trường tới hạn H
c
. 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 J
a
ở bề
Hình 2.3
Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường
của dây dẫn Nb-25%Zr
với đường kính dây khác nhau.

20
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 dòng tới hạn J
c
.
Thông thường, có hai sự đóng góp vào dòng điện chạy trên bề mặt chất siêu
dẫn. Hãy xem xét dòng điện chạy dọc theo dây siêu dẫn từ nguồn bên ngoài như
pin, acquy. Chúng ta gọi dòng này là “dòng truyền” bởi vì 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

chất siêu dẫn thì mật độ từ thông B sẽ ở trên bề mặt và độ lớn từ trường tương ứng
0
B
H =
µ
liên quan với mật độ dòng mặt J
a
.
Nếu tổng dòng điên chạy trên chất siêu dẫn là đủ lớn thì mật độ dòng 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
H
c
. Ngược lại, từ trường có độ lớn H
c
ở bề mặt luôn luôn kết hợp với mật độ dòng
siêu dẫn mặt J
c
. Điều này dẫn đến giả thuyết chung sau đây:
21
“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 H
c
tại các
điểm trên bề mặt của nó”.
Giá trị cực đại của dòng truyển dọc theo một nguyên tố siêu dẫn không có
điện trở chính là dòng tới hạn của nguyên tố đó. Rõ ràng rằng từ trường đặt vào chất
siêu dẫn càng lớn thì dòng tới hạn của nó càng nhỏ.
Nếu không có từ trường đặt vào, mà chỉ có từ trường được sinh ra do các

22
Hệ thức này có thể xác định bằng thực nghiệm cho dòng tới hạn i
c
bằng cách
đo dòng cực đại của dây siêu dẫn. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng: trong trường
hợp không có từ trường ngoài, phương trình (2.13) tiên đoán được chính xác giá trị
i
c
.
Trong từ trường yếu hoặc khi không có từ trường thì giá trị dòng tới hạn của
các chất siêu dẫn có thể rất cao. Ví dụ, một dây dẫn siêu dẫn bằng Pb có đường kính
1 mm được làm lạnh xuống 4,2 K (nhúng trong Hêli lỏng) thì từ trường tới hạn của
nó (Pb) khoảng 4,4 x 10
4
Am
-1
(cỡ 550 Gauss).
Như vậy, khi không có từ trường ngoài thì dây có thể tải dòng điện lên đến
140 A trong trạng thái không có điện trở.
Hãy xét xem nguyên nhân làm cho dòng tới hạn giảm đi do sự có mặt của
trường ngoài. Đầu tiên giả thiết rằng từ trường đặt vào có mật độ từ thông B
a
và độ
lớn từ trường
0
( )
a
a
B
H

 
 
(2.15)
Giá trị dòng tới hạn i
c
xuất hiện khi H = H
c
từ phương trình trên ta có:
23
2
2 2
c
c a
2 2
i
H H
4
π a
  (2.16)
Ở đây H
c
là hằng số, vì vẫy phương trình này biểu diễn sự thay đổi của i
c

theo H
a
:
2 2 2
c c a
2 2

c c a
i 2
πa(H 2H )
  (2.19)
Do đó trong trường hợp này dòng tới hạn giảm tuyến tính theo sự tăng của từ
trường đặt vào cho đến khi đạt giá trị bằng 0 ở
c
1
H
2
.
24
II.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ
Trở lại công thức mô tả trường khử từ : giá trị 4M chính là từ trường sinh ra
bởi dòng siêu dẫn. Ở trên từ trường tới hạn Hc, chất siêu dẫn trở thành vật dẫn
thường có giá trị 4M rất nhỏ. Trong trường hợp này, siêu dẫn chính là chất nghịch
từ lý tưởng - nó biểu hiện hoàn toàn hiệu ứng Meissner và dược gọi siêu dẫn loại 1.
Siêu dẫn loại 1 thường là các kim loại sạch.  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).