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
2
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 5 – 2009
3
Mục lục
Mục lục........................................................................................................................3
Lời mở đầu..................................................................................................................3
Lý do chọn đề tài.........................................................................................................5
I. Hiện tượng siêu dẫn.................................................................................................8
II. Các vật liệu siêu dẫn..............................................................................................10
III. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn......................................................................32
IV. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao...................................................................................38
V. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn.......................................................................46
VI. Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn......................................................60
Lời kết.......................................................................................................................68
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................69
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

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.
6
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
-196
ο
C) 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.
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

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
0
20
40
60
80
0 20 40 60
T (K)
R (
Ω
)
Hình 1.1
Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt
độ thấp
9
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
t
L
 
−
 ÷
 
Ở đây R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện

C
). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển
10
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
II.1. Vài nét về 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 ra siêu dẫn khi
ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli
tại truwòng đại học tổng hợp quốc gia
Leiden, Hà LaNăm 1911 cũng chính
Kamerligh đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn
của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi
diện trở một cách đột ngột của mẫu kim
loại này ở 4.2 K.
Ba năm sau chính ông là người đầu
tiên chế tạo được nam châm siêu dẫn. Năm
1914 phát hiện ra hiện tượng dòng điện phá
vỡ tính chất siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dân đầu tiên được tìm ra.
Hình 2.1
Đường cong siêu

Alexei A. Abrikosov
Vitaly L. Ginzburg
Anthony J. Leggett
13
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 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
Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn
Vật liệu T
o
C năm Vật liệu T
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

Cu-O
115 -125 1988
14
II.2. Tính chất từ
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:
0B =
ur
(tức là
0
dB
dt
=
uur
) (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

hóa I
r
. 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).
16
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

χ
π
= = −
(2.2)
Hoặc trong hệ SI:
H = H
a
+ M = 0 (2.3)
1
a
M
H
χ
= = −
(2.4)
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 J
ρ
=
ur ur
(2.5)
Trong trạng thái siêu dẫn ρ = 0, nên:

B
ur
= const vẫn đúng.
Vậy, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ
B
ur
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
0B const
= =
ur
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.
Hình 2.2
Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn vào
nhiệt độ và đường cong ngưỡng
19
II.2.4. 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

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
phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trường do dòng I sinh ra trong dây
20
dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu dẫn. Điều
này có bản chất giống như hiệu ứng
Meissner đã được xét ở mục trước.
Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu
dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng
trong dây siêu dẫn là I > I
c
thì mối quan hệ
giữa từ trường tới hạn và các đại lượng I
và a sẽ là:
c
2I
H =

c
.
Hình 2.3
Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trường
của dây dẫn Nb-25%Zr
với đường kính dây khác nhau.
21
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 truyền
và ở nhiểu điểm, mật độ dòng
J
ur
có thể xem như là tổng các thành phần
i
J
ur
, do dòng
truyền và thành phần
H
J
uur
được làm tăng lên từ các dòng chắn:
i H
J J J
= +
ur uur uur
(2.11)

. Điều này dẫn đến giả thuyết chung sau đây:
“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”.
22
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 dòng
truyền, thì dòng tới hạn sẽ là sinh ra độ lớn từ trường tới hạn H
c
ở bề mặt vật dẫn.
Trường hợp đặc biệt này cho bởi công thức và giả thuyết Silsbee trong phương trình
(2.10) trước khi có khái niệm về mật độ dòng tới hạn. Ta có thể gọi công thức tên đây
là “dạng thông thường” của giả thuyết Silsbee.
Có thể thấy rằng độ lớn của từ trường tới hạn H
c
phụ thuộc vào nhiệt độ, nó
giảm đi khi nhiệt độ tăng lên và trở thành 0 tại nhiệt độ chuyển pha T
C
. Điều này
chứng minh rằng mật độ dòng tới hạn phụ thuộc vào nhiệt độ theo cách giống nhau,
như mật độ dòng tới hạn giảm đi ở những nhiệt độ cao hơn. Ngược lại, nếu chất siêu
dẫn tải dòng điện, thì nhiệt độ chuyển pha của nó sẽ hạ xuống thấp.
II.2.6. Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn
Hãy xét dâu dẫn hình trụ có bán kính a và dòng điện chạy qua nó là i. Nếu
không có từ trường ngoài, thì dòng điện I sẽ sinh ra từ trường ở bề mặt dây dẫn với
độ lớn H

và độ
lớn từ trường
0
( )
a
a
B
H
µ
=
chạy dọc theo dây sinh ra từ trường bao quanh dây và độ lớn
của từ trường sinh ra trên bề mặt dây là:
i
i
2πa
H ≈
.Từ trường này và từ trường đặt
vào là hai vec tơ vuông góc với nhau, nên độ lớn H của từ trường tổng hợp ở bề mặt
dây là:
( )
1
2
2 2
a i
H H+
(2.14)
Hoặc :
2
2 2
2

H
a
:
24
2 2 2
c c a
2 2
1
i = H - H
4π a
(2.17)
Đây là phương trình ellip. Hệ quả là, đồ thị biểu diễn sự giảm dòng tới hạn
theo lớn của từ trường đặt vào theo chiều dọc tăng lên, có dạng một phần tư của ellip.
Trong cấu hình này, mật độ từ thông phân bố đều trên bề mặt của dây va các đường
từ thông chạy theo hình xoắn ốc.
Trường hợp quan trọng khác xuất hiện khi từ trường đặt vào là vuông góc với
trục của dây (giả thiết là từ trường không đủ mạnh để đưa chất siêu dẫn vào trạng thái
trung gian). Trong trường hợp này, tổng mật độ từ thông là không đồng đều trên bề
mặt dây. Độ lớn của từ trường cực đại xuất hiện dọc theo đường L. Do có hiện tượng
khử từ nên từ trường 2H
a
đặt lên từ trường H
i
để cho tổng từ trường là :
a i a
i
H 2H H 2H
2πa
= + = +
(2.18)

siêu dẫn vượt quá dòng tới hạn. Giả thiết dây là hình trụ. Trong thực tế không có dây
dẫn nào mà toàn bộ chiều dài của nó, tất cả các nguyên tố dây dẫn có tính chất hoàn
Hình 2.4
Đường cong từ hóa của các chất siêu dẫn theo từ trường
1
2
1
2
k
k
k
λ
ξ

<


=


>


Loại I
Loại II