94
Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC)
Giới thiệu chung
Hiện tượng siêu dẫn được phát hiện vào năm 1911 bởi Kamerlingh Onnes khi tiến hành
thí nghiệm nhúng thủy ngân trong He lỏng (nhiệt độ hóa lỏng 4,2oK), điện trở thủy ngân gần
như bằng không và được ông gọi là hiện tượng siêu dẫn (super conductivity).
Sau đó Onnes còn phát hiện ra Sn và Pb cũng thể hiện tính siêu dẫn khi nhiệt độ của
chúng xuống dưới các nhiệt độ tương ứng là 3,8 và 6oK, thí nghiệm do ông tiến hành khi
cho dòng điện chạy trong một vòng dây kín làm bằng Pb, dòng điện chạy trong đó trong
vòng 1 năm.
Mỗi độ K trong nhiệt giai Kenvin (1K) bằng một độ trong nhiệt giai Celsius (1 °C) và 0 °C ứng với 273,15oK
95
Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC)
5.1. Nhiệt độ tới hạn
oNhiệt độ tới hạn (critical temperature) Tc là trị số mà dưới nhiệt độ đó điện trở của kim
loại giảm về không.
oTrị số không của điện trở ở đây chỉ có giá trị tương đối, có nghĩa là nó nằm dưới độ nhạy
của thiết bị đo. Tại nhiệt độ này có sự chuyển pha đột ngột của vật liệu từ trạng thái bình
thường thành siêu dẫn, khoảng nhiệt độ dẫn tới sự chuyển pha này rất nhỏ chỉ cỡ khoảng
một vài mK.
Những vật liệu thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ dưới nhiệt độ hóa
lỏng của nitơ (77oK) được gọi là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao
(High temperature superconductor).
Phát triển của nhiệt độ tới hạn theo thời gian
Ngày nay những tiến bộ trong ngành vật liệu siêu dẫn đã cho phép
đạt được nhiệt độ tới hạn ngày càng cao.
96
Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC)
5.2. Hiệu ứng Meissner
Một nam châm lơ lửng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ
lỏng lạnh tới −200 °C ,thể hiện hiệu ứng Meissner
Khi vật liệu chuyển trạng thái từ pha bình thường sang pha siêu dẫn, trường
bên trong bản thân vật liệu bị đẩy ra ngoài, hiện tượng này được gọi là hiệu
ứng Meissner.
Hiện tượng từ trường bên trong vật liệu bằng không trong trường hợp này
khác so với trong trường hợp vật liệu nghịch từ do ở trạng thái này điện trở
của vật liệu đạt tới trị số 0.
Hiệu ứng Meissner khi vật liệu chuyển từ trạng th
á
i b
ì
nh thường
sang trạng th
á
i siêu dẫn, c
á
c đường sức từ trường bị đẩy ra khỏi
thể t
í
ch của vật liệu khi nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn
97
Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC)
5.2. Từ trường tới hạn (Hc)
Ở nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn, tính siêu dẫn của vật liệu sẽ bị mất nếu nó
được đặt trong từ trường ngoài có trị số lớn hơn một trị số Hc nào đó được gọi là
từ trường tới hạn.
Quan hệ giữa nhiệt độ tới hạn Tc và từ trường tới hạn Hc được biểu diễn qua
công thức thực nghiệm :
Trong đó Hc0 là từ trường ở nhiệt độ 0oK
Tc0 là nhiệt độ tới hạn khi từ trường ngoài bằng 0.
Tùy theo trị số của từ trường tới hạn mà người ta chia vật liệu siêu dẫn làm 2 loại
98
Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC)
5.3. Phân loại vật liệu siêu dẫn
A. Vật liệu siêu dẫn loại 1.
oMột số kim loại tinh khiết, chì, thủy ngân, thiếc…là những ví dụ điển hình của
siêu dẫn loại 1.
oTuy nhiên do trị số từ trường giới hạn nhỏ (μ0Hc<0,1Tesla) và trạng thái siêu
dẫn biến mất ngay khi nhiệt độ vượt quá giá trị tới hạn, siêu dẫn loại này ít
được ứng dụng trong thực tế.
oLà loại vật liệu mà hiệu ứng Meissner ngừng
ngay lập tức khi từ trường ngoài vượt quá từ
trường tới hạn.
oDưới trị số từ trường này, vật liệu là siêu dẫn
với việc từ trường bên trong vật liệu bằng 0
(trừ ởmép của vật liệu).
Đặc tính chuyển pha của
siêu dẫn loại 1