Đề tài “ Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống”

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

1.086
lượt xem 251
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 Trong tài liệu này, chúng em có trình bày về vài nét của quá trình lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn, những lý thuyết liên quan, những khái niệm, đặc điểm điển hình của hiện tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài “ Hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học – đời sống”

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ lớp 3A    Đề tài: TS. Lê Văn Hoàng Giáo viên hướng dẫn: V ũ Trúc Thanh Hoài Nhóm thực hiện: H uỳnh Thị Hương N guyễn Thị Ngọc Lan (26 – 06) N guyễn 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 Hiện tượng siêu d ẫn ........................................................................................ 7 I. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn ................................ .............................. 7 I.1. Điện trở không................................ ................................ ....................... 7 I.2. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha ................................ ................. 8 I.3. II. Các vật liệu siêu dẫn ................................ ................................ ....................... 9 Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu d ẫn ........................................ 9 II.1. Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn.............................................................. 12 Tính chất từ ......................................................................................... 13 II.2. II.2.1. 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 h ệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn ........................... 21 II.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ..................................... 24 Tính chất nhiệt................................ ................................ ..................... 25 II.3. II.3.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn ............................................. 25 II.3.2. Nhiệt dung của chất siêu d ẫn ................................ ............................ 27 II.3.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn ......................................................... 28 II.3.4. Hiệu ứng đồng vị ............................................................................. 30 II.3.5. Các hiệu ứng nhiệt điện.................................................................... 30 II.3.6. Các tính chất khác ............................................................................ 31 Phân biệt giữa vật liệu siêu d ẫn và vật dẫn điện hoàn hảo .................... 31 II.4. III. Các lý thuyết liên quan về siêu d ẫn ............................................................... 32 Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường ............................ 32 III.1. Sự xâm nhập của từ trường vào ch ất siêu d ẫn ..................................... 32 III.2. Lý thuyết Ginzburg - Landau ............................................................... 33 III.3. Phương trình Ginzburg – landau ................................................... 33 III.3.1. Độ d ài kết hợp ................................ .............................................. 35 III.3.2. Lý thuyết BCS ................................ ................................ ..................... 35 III.4. Lý thuyết BCS ................................ .............................................. 35 III.4.1. Cặp Cooper .................................................................................. 36 III.4.2. IV. Chất siêu d ẫn nhiệt độ cao .......................................................................... 37 IV.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao.................. 37 IV.2. Lý thuyết liên quan đến siêu d ẫn nhiệt độ cao ...................................... 40 IV.3. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình ................................ ......... 41 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 d ẫn MgB2 ..................................................................... 44 IV.4. Tính chất khác ................................ ................................ ..................... 45 V. Các ứng dụng của vật liệu siêu d ẫn ............................................................... 46 Tàu chạy trên đệm từ. .......................................................................... 46 V.1. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI).................................................... 48 V.2. Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao ................................. 50 V.3. Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission) .......................... 50 V.4. Nam châm siêu d ẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch ................................ 51 V.5. Khả năng giữ được trạng thái plasma:.................................................. 52 V.6. V.7. Bom E: ................................................................................................ 52 V.8. Siêu máy tín h:...................................................................................... 53 Ăngten mini ( Miniature Antennas) ................................ ..................... 53 V.9. 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 b ệ 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 d ẫn ................................................................................. 56 V.17. Máy phát điện siêu dẫn ................................ ........................................ 56 V.18. Động cơ siêu d ẫn ................................................................................. 57 V.19. Thiết bị máy phát – Động cơ siêu d ẫn 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 V.24. Thiết bị sử lý tín hiệu ........................................................................... 59 V.25. Ôtô điện ............................................................................................... 59 V.26. Cảm biến đo từ thông ba chiều ................................ ............................ 59 V.27. Thiết bị Synchrotrons .......................................................................... 59 V.28. Lò phản ứng nhiệt hạch từ ................................................................ ... 60 VI. Một số phát hiện mới về hiện tư ợng siêu dẫn .............................................. 60 VI.1. Chất siêu d ẫn trong răng người ................................ ............................ 60 VI.2. Chất siêu d ẫn 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. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ ............. 64 Lời kết ................................................................................................................... 68 Tài liệu tham khảo ................................ ................................................................. 69
3 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 tư ợng siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và nh ững ứng dụng mới lạ của hiện tượng này trong khoa học – đ ời sống Trong tài liệu này, chúng em có trình bày về vài nét của quá trình lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn, những lý thuyết liên quan, những khái niệm, đặc điểm đ iển hình của hiện tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn và cuối cùng là nh ững ứng dụng cụ thể trong khoa học – đời sống. Có th ể giúp các bạn có một cái nhìn cụ thể h ơn về h iện tượng n ày, và biết được những điều mới lạ, thú vị trong việc ứng dụng siêu dẫn vào công ngh ệ hiện đại. Hy vọng tài liệu n ày sẽ là m ột tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên, cũng như những người đam m ê khoa học có mong muốn tìm hiểu th êm về hiện tượng siêu d ẫn – m ột vấn đề còn rất nhiều điều kỳ bí.
4 Lý do chọn đề tài Chúng ta đ ã biết điện trở suất của kim loại tăng theo nhiệt độ, khi nhiệt độ giảm đều th ì 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 n ên 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 th ấy ở hàng loạt kim lo ại, hợp kim và hợp chất. Ngoài đặc tính siêu dẫn, ngư ời ta còn phát hiện thấy với chất siêu dẫn từ trư ờng bên trong nó luôn luôn bằng không và có h iện tượng xuyên n gầm lượng tử… Mãi h ơn 40 năm sau, hiện tượng kỳ lạ của chất siêu dẫn đã được lý giải b ằng lý thuyết vi mô. Theo đó, khác với các ch ất 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 đ ã 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 b ằng 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 d ẫn nhiệt độ cao, chỉ cần dùng tới nitơ lỏng (nhiệt độ sôi là 77 K hay - 196οC) với giá th ành h ạ h ơn 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 ngh ệ cao, bởi vì chúng không có điện trở. Về nguyên tắc, khi dòng đ iện bắt đầu chạy trong một vòng siêu dẫn, gần như nó có thể chạy... m ãi. Cùng kích th ước, chất siêu d ẫn mang một lượng điện lớn hơn dây điện và dây cáp tiêu chu ẩn. Vì vậy, thành phần siêu d ẫn 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 đ ồng 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 đ ã cho rằng, việc phát minh ra chất siêu d ẫn có thể so sánh với việc phát minh ra năng lượng nguyên tử, việc chế tạo ra các dụng cụ bán dẫn; th ậm chí một số nh à khoa học còn so sánh vơi việc phát minh ra đ iện. Các vật liệu siêu dẫn sẽ đưa đến sự thay đổi lớn lao về kĩ thuật, công ngh ệ và có th ể 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 b iệt các hợp chất hầu như chỉ dựa trên đồng (Cu) và xảy ra như th ế nào. Và mới đ ây, các nhà khoa học ở Nhật Bản đ ã 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 m ới để có thể tìm hiểu một cách dễ d àng hơn về hiện tượng n ày – và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này.
6 Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đ ã mang đến cho khoa học và đời sống những ứng dụng hết sức rộng rãi và to lớn. Ngày nay khoa học kĩ thuật đ ã và đ ang đang phát triển đòi hỏi các nhà khoa học phải vận dụng và khai thác tối đa các ứng dụng của chất siêu d ẫn để phục vụ cho con người trong mọi lĩnh vực. Qua đó có th ể thấy các ứng dụng của chất siêu d ẫn không còn xa lạ gì với con người nữa. Hiện tượng siêu dẫn đã mang đ ến 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 h iểu 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 tư ợng 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 đ ặt siêu dẫn vào trong từ trường thì từ trư ờng bị đẩy ra khỏi nó. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng mà điện trở của một chất nào đó đ ột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định. 80 60 R (W ) 40 20 0 0 20 40 60 T (K) Hình 1.1 Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp I.2. Đ iện 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 không hay là có giá trị rất nhỏ ? Tất nhiên, không th ể chứng minh được bằng thực nghiệm rằng điện trở trong thực tế là 0; bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ h ơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận được. Trong trường hợp nhạy h ơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu như không suy giảm sau một thời gian rất d ài. Giả thiết rằng tự cảm
8 của xuyến là L, khi đó n ếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, ở thời gian muộn h ơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức :  R   t L i(t) = i(0)e Ở đ ây R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện b ao quanh xuyến. Phép đo từ trư ờng không lấy năng lượng từ m ạch điện mà vẫn cho ta khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có th ể xác định được điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 Ωm. Giá trị này thỏa m ãn kết luận điện trở của kim loại siêu dẫn bằng 0. I.3. N hiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, Kamerlingh Onnes đã kh ảo 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 (- 390C ) là 39, 7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 00 (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
9 pha siêu d ẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thường sang trạng thái siêu d ẫn. Kho ảng 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 d ẫn. 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 d ẫn còn chưa ai biết tới th ì giờ đây lại đang là một vấn đề rất nóng đối với các nhà vật lý hiện đại. Năm 1908 Kamerlingh Onnes đã đ ặt bước tiến đầu tiên trong việc ra siêu d ẫn khi ông hóa lỏng được khí trơ cuối cùng là Heli tại truwòng đ ại 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 m ẫu kim loại n ày ở 4 .2 K. Hình 2.1 Đường cong siêu dẫn theo Ba năm sau chính ông là người đầu nhiệt độ của thủy ngân tiên chế tạo được nam châm siêu d ẫn. 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.
10 Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tượng các đường sức từ bị d ẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trường. Hiệu ứng này được đặt tên là hiệu ứng Meissner. Walter Meissner & Robert ochsenfeld Năm 1957 lý thuyết BCS ra đời bởi Cooper, Bardeen,và Schriffer đã giải thích hầu hết các tính chất cơ b ản của siêu dẫn lúc bấy giờ, và lý thuyết này đã đ ạt được giải thưởng Nobel. John Bardeen, Leon Cooper,and John Schrieffer
11 Tóm lại hầu hết những phát kiến về chất siêu dẫn trong suốt những năm trước 1985 đều không vư ợt quá 24 K. Chất lỏng He vẫn là môi truờng duy nhất n ghiên 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 n ày J.G. Bednorz và K.A Muller đ ã đ ược nhận giải thưởng Nobel về vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu d ẫn đã bắt đầu một hướng mới- đó là siêu d ẫn nhiệt độ cao. Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đ ã m ở ra một kỉ nguyên mới cho ngành vật lý siêu d ẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vượt b ậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu d ẫn Giải Nobel Vật lý 2003 được chia đều cho ba khoa học gia đã có nh ững đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tượng Siêu dẫn (Superconductivity) và Siêu lỏng (Superfluidity). Đó là: Anthony J. Leggett Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ. Vitaly L. Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N. Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga.
12 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 d ẫn 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 h iện trong khoảng gần hai chục năm qua. Các nh à khoa học Việt Nam làm lạnh b ằng Nitơ lỏng và đã tạo ra được một số vật liệu siêu d ẫn thuộc loại rẻ tiền Bảng thống kê một số vật liệu siêu d ẫn ToC ToC Vật liệu Vật liệu năm Năm Hg 4,2 1911 KxC60 18 - 30 1991 Hg-Ba-Ca- Pb 7,2 1913 90 - 161 1993 Cu-O (NH3)4Na2 Nb 9,2 1930 33 1994 CsC60 Nb3Sn 18,1 1954 Y-Pd-B-C 23 1994 Nb3 Ln(Re)-Ni- (Al0,75Ge0 20 – 21 1966 13 - 17 1994 B -C ,25) (Ca,Na)2Ca Nb3Ga 30,3 1971 49 1995 Cu2O4Cl2 Ba-Ca-Cu- Nb3Ge 23,2 - 23,9 1973 126 1996 O BaPb1- 13 1974 Li2BeH4 1997 xBixO3 La1- Bi-Ba-Ca- xCaxMnO3 30 – 40 1986 126 - 130 1997 Cu-O -Ba-Cu-O (CuTl)Ba2 Y(Re)-Ba- Can- 80 - 90 1987 121 1998 Cu-O 1CunO2n+4 -y Bi-Sr-Ca- 110 – 1 20 1988 MgB 39 2000 Cu-O Tl-Ba-Ca- 115 -125 1988 Cu-O
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 ho àn 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 lo ại 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 b ên rong kim lo ại không thay dổi theo thời gian, ví dụ:    dB B  0 (tức là  0) (2.1) dt Đó sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải đ ược duy trì giống như trước khi kim lo ại mất điện trở. Giả thiết rằng mẫu bị mất điện trở khi không có từ trường ngo ài tác dụng. Vì m ật độ từ thông trong kim loại không thay đổi, cho n ên nó ph ải là 0 thậm chí cả sau khi có từ trường đặt vào. Trong th ực tế, từ trường có tác dụng nên m ẫu siêu dẫn gây ta dòng đ iện 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 n goài. Vì các dòng này không biến mất, nên m ật 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 m ặt này thông thường được gọi là các dòng chắn. Mật độ từ thông tạo nên do những dòng mặt dư (persistent) không biến mất ở b iên của mẫu, m à các đư ờng từ thông tạo th ành các đường cong khép kín liên tục
14 vòng qua không gian bên ngoài mẫu, mặc dù m ật độ từ thông n ày ở mọi nơi bên trong mẫu là bằng nhau và ngược với từ thông sinh ra do từ trường ngo ài. Bây giờ hãy xem xét một trình tự khác cho việc làm lạnh trong từ trường đối với một vật liệu không có điện trở. Giả thiết rằng, từ trường Ba được đặt vào khi m ẫu ở trên nhiệt độ chuyển pha. Sau đó mẫu được làm lạnh đến nhiệt độ thấp sao cho điện trở của nó biến mất. Sự biến mất điện trở n ày không gây ảnh hưởng lên độ từ hóa và sự phân bố từ thông vẫn duy trì không đổi. Khi giảm từ trường về 0 thì m ật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn lý tư ởng không thể thay đổi và dòng b ề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông b ên trong nó. Ta thấy rằng trạng thái từ hóa của vật dẫn lý tưởng không xác đ ịnh duy nhất b ằng các điều kiện bên ngoài, mà nó phụ thuộc vào chuỗi các điều kiện tại vị trí đ ang tồn tại. II.2.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng Các m ẫu lý tưởng là các mẫu không chứa tạp chất hoặc không có những sai hỏng về tinh thể. Trong thực tế, nh iều mẫu không được hoàn hảo như vậy. Tuy nhiên, vẫn có khả năng chế tạo những mẫu gần như lý tưởng sao cho chúng biểu h iện các tính chất gần giống vật liệu lý tưởng. Mẫu lý tưởng có từ trường tới hạn rất sắc nét và đường cong từ hóa lá hoàn toàn thuận nghịch.Có thể thấy rằng độ từ hóa là không thu ận nghịch khi từ trường tăng và giảm, các đư ờng cong từ hóa biểu hiện khác nhau. Ở đây xuất hiện hiện tư ợng từ trễ. Khi từ trư ờng 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 BT và độ từ hóa Ir. 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 (HC1, HC2 và HC3).  Có đường cong từ trễ.  Có từ thông bị hãm (bẫy).
15 Các biểu hiện này không nhất thiết phải cùng xu ất hiên. Ví d ụ, mẫu có thể không có từ trư ờng 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 nh ư 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. H iệu ứng Meissner Một vật dẫn lý tưởng có thể có đ iện trở không ở nhiệt độ tuyệt đối (0K). Tuy nhiên, nó không phải là chất siêu dẫn. Người ta thấy rằng b iểu hiện tính chất của chất siêu d ẫn khi nó có từ trườn g khác với vật dẫn lí tưởng. Năm 1933, Meissner và Ochsenfied phát hiện ra rằng: Nếu chất siêu d ẫn được làm lạnh trong từ trường xuống dưới nhiệt độ chuyển pha TC, thì đường sức của cảm ứng từ B sẽ bị đẩy ra khỏi chất siêu d ẫn. Tức là ch ất siêu dẫn nằm trong từ trư ờng n gòi Ha còn cảm ứng từ bên trong   m ẫu B = 0. Hiện tượng này gọi là Hình 2.1 h iệu ứng Meissner. Tính chất từ của chất siêu d ẫn Hiệu ứng Meissner cho biết, chất siêu dẫn biểu hiện tính chất: Tron g lòng nó   các đường cảm ứng từ B = 0. Ngh ĩa là, siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ lý tưởng.
16 Hệ số từ hóa của chất siêu d ẫn trong hệ ( CGS) sẽ là: M 1 (2.2)   4 Ha Hoặc trong hệ SI: H = Ha + M = 0 (2.3) M (2.4)   1 Ha Hiệu ứng Meissner là tính ch ất từ cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng h ệ số từ hóa  =  1 đã nói lên siêu dẫn là ch ất nghịch từ lý tư ởng. Mặt khác, đặc trưng cơ b ản của chất siêu d ẫn về tính chất điện là điện trở không (ρ = 0 ). Xuất phát từ phương trình cơ bản của điện động lực học th ì định luật Omh được biểu diễn trong điện trường theo mật độ và điện trở suất là:    (2.5) E  J Trong trạng thái siêu d ẫn ρ = 0, nên:  (2.6) rot E  0 Th eo phương trình Maxwell:   dB (2.7)  Crot E dt Và có:  dB (2.8) 0 dt
17   Như vậy, các đường cảm ứng từ B phải là một hằng số.   Khi ρ = 0 thì B = const. Nghĩa là, n gay cả khi làm lạnh chất siêu dẫn xuống   dưới nhiệt độ TC thì phương trình B = const vẫn đúng.   Vậy, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ B trong lòng ch ất siêu d ẫn bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát đ ược. Về phương diện lý thuyết xét ở đây chỉ là  chấp nhận B  const  0 theo thực nghiệm. Từ các dẫn chứng trên đây đ ã đưa đến kết luận là: Trạng thái siêu d ẫn có đ iện trở không và hiệu ứng Meissner biểu hiện rằng, chất siêu dẫn là một nghịch lý từ lý tư ởng (χ = -1). Hai tính chất độc lập này có đặc trưng cơ bản riêng biệt nhưng cả hai đều đồng thời là tiêu chu ẩn quan trọng để xem xét một chất có phải là siêu d ẫn hay không. Hình 2.2 Sự phụ thuộc của từ trường tới hạn vào nhiệt độ và đường cong ngưỡng
18 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 (Hc) xác định có thể làm m ất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đ ã làm cho trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác đ ịnh của từ trường (Hc) được gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. Từ trường tới hạn Hc là hàm của nhiệt độ T và hàm đó được mô tả gần đúng như sau: 2   T  (2.9) H c  H o 1       TC   Với H0 là từ trường tại T = 0 và tại T = TC thì Hc(TC) = 0. Đường cong Hc 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 d ẫn và bên ngoài đường cong ngư ỡng là trạng thái thư ờng. II.2.5. Dòng tới hạn Dòng cực đại đạt dược trong trạng thái siêu dẫn được gọ i là dòng tới hạn. Nói cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng đ iện lớn nhất khi điện trở cùa chất siêu dẫn xem như b ằng không. Dòng tới hạn dược ký hiệu là IC. Năm 1913, Kamerlingh Onnes lần đầu tiên đã phát hiện ra rằng: Nếu trong d ây 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 phải do bản thân dòng lớn I gây ra mà chính là từ trường do dòng I sinh ra trong d ây dẫn đã phá vỡ trạng thái siêu d ẫn. Điều này có bản chất giống như hiệu ứng Meissner đ ã được xét ở mục trước. Th ực nghiệm cho thấy rằng, nếu d ây siêu dẫn tròn có đ ường kính a, dòng trong dây siêu dẫn là I > Ic thì mối quan h ệ giữa từ trường tới hạn và các đ ại lượng I và a sẽ là: Hình 2.3 Mật độ dòng tới hạn phụ thuộc từ trư ờng 2I của dây dẫn Nb-25%Zr (2.10) Hc = với đ ường kính dây khác nhau. a Công thức (2.10) được gọi là công thức Silsbee, ch ỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các ch ất siêu dẫn đ ơn kim lo ại (còn gọi là chất siêu d ẫn lý tư ởng). Các chất siêu dẫn là hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đ ều không thỏa m ãn hệ thức Silsbee. (Các chất siêu d ẫn loại này còn gọi là ch ất siêu d ẫn không lý tưởng). Ngoài khái niệm dòng tới hạn (Ic) thông thường, người ta còn dùng khái n iệm mật độ dòng tới hạn (Jc) đ ể thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dòng tới h ạn Ic trên một đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn. Đơn vị thường dùng cho đại lượng n ày là A/cm 2, giá trị Jc phụ thuộc rất mạnh vào từ trường và đư ờng kính của dây siêu dẫn. Ph ần 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 đ ến độ lớn từ trường tới hạn Hc. Các dòng trong ch ất siêu d ẫn đều chạy trên b ề mặt b ên trong đoạn đường thấm sâu, mật độ dòng giảm nhanh từ một vài giá trị Ja ở b ề