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.


Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng....................................................13

II.2.2.

Vật siêu dẫn không lý tưởng...............................................................14

II.2.3.

Hiệu ứng Meissner..............................................................................15

II.2.4.

Từ trường tới hạn ................................................................................18

II.2.5.

Dòng tới hạn........................................................................................18

II.2.6.

Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn............................21

II.2.7.

Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ ......................................24

II.3.

Tính chất nhiệt ........................................................................................25


Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn..................................................................32

III.1.

Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường..............................32

III.2.

Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn.......................................32

III.3.

Lý thuyết Ginzburg - Landau .................................................................33

III.3.1.

Phương trình Ginzburg – landau.....................................................33

III.3.2.

Độ dài kết hợp.................................................................................35

III.4.

Lý thuyết BCS ........................................................................................35

III.4.1.

Lý thuyết BCS.................................................................................35



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.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.


V.28.

Lò phản ứng nhiệt hạch từ......................................................................60

VI.

Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn................................................60

VI.1.

Chất siêu dẫn trong răng người ..............................................................60

VI.2.

Chất siêu dẫn 1.5.....................................................................................61

VI.3.

Hành xử theo cả hai kiểu ........................................................................62

VI.4.

Hỗn hợp tương tác ..................................................................................62

VI.5.

Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng...........................................................63

VI.6.


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 ch
ất. 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 đi
ện 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 d
ụ: 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
chất siêu dẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay -
196

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 dụ
ng 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 mu
ốn 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.



R
t
L





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

quốc gia Leiden, Hà LaNăm 1911 cũng
chính Kamerligh đã phát hiện ra tính chất
siêu dẫn củ
a 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 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

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 li
ệu 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
Ln(Re)-Ni-
B-C
13 - 17 1994

Cu-O
115 -125 1988

13
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 xu
ống 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 

(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 điệ

sắc nét và đường cong từ hóa lá hoàn toàn thuận nghịch.Có thể thấy rằng độ từ hóa
là không thuận nghịch khi từ trường tăng và gi
ảm, các đường cong từ hóa biểu hiện
khác nhau. Ở đây xuất hiện hiện tượng từ trễ. Khi từ trường giảm đến 0 vẫn có thể
còn sót lại một chút độ từ hóa dương của mẫu và nó làm tăng mật độ từ thông riêng
B
T
và độ từ 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).
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 tr
ễ 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

Hình 2.1
Tính chất từ của chất siêu dẫn
16
Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ ( CGS) sẽ là:

1
4
a
M
H



(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

=


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 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
0B 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.


T
HH1
T
 


 


 
(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 d

đều không thỏa mãn hệ thức Silsbee. (Các chất siêu dẫn loại này còn gọi là chất siêu
dẫn không lý tưởng).
Ngoài khái niệm dòng tới hạn (I
c
) thông thường, người ta còn dùng khái
niệm mật độ dòng tới hạn (J
c
) để thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dòng tới
hạn I
c
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.



ở các điểm vượt quá mật độ dòng tới hạn
c
J

.
Phương trình London biểu diễn mối liên hệ giữa mật độ dòng siêu dẫn ở các
điểm và mật độ từ thông tại điểm đó. Mối liên hệ này giữ cho dòng diêu dẫn là dòng
chắn, dòng truyền hoặc là sự kết hợp của cả hai. Do vậy, khi dòng điện chạy trong
chất siêu dẫn thì mật độ từ thông B sẽ ở trên bề mặt và độ lớn từ trường tươ
ng 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:

độ lớn H
i
tuân theo phương trình sau:
i
2πaH =i
(2.12)
Do đó dòng tới hạn tương ứng sẽ là:
ci
i=2πaH
(2.13)
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

22
2
a
i
HH
a





(2.15)
Giá trị dòng tới hạn i
c
xuất hiện khi H = H
c
từ phương trình trên ta có:
23
2
22
c
ca
22
i
HH
4π a

(2.16)
Ở đây H
c

H2H H 2H
2πa

(2.18)
Dạng thông thường của công thức Silsbee công bố rằng, điện trở đầu tiên
xuất hiện khi độ lớn từ trường tổng ở tất cả các thành phần trên bề mặt H
c
và dòng
tới hạn trong trường hợp này là:
cca
i2πa(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 dẫ
n loại 1.
Siêu dẫn loại 1 thường là các kim loại sạch.



Loại I
Loại II

Trích đoạn Chất siêu dẫn nhiệt độ cao Tàu chạy trên đệm từ Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI)

---