Tìm hiểu hiện tượng siêu dẫn và những ứng dụng trong khoa học và đời sống.

Mục lục 1
Lời mở đầu 3
Lý do chọn đề tài 5
I. Hiện tượng siêu dẫn 8
I.1. Khái niệm hiện tượng siêu dẫn 8
I.2. Điện trở không 8
I.3. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha 9
II. Các vật liệu siêu dẫn 10
II.1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn 10
Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn 13
II.2. Tính chất từ 14
II.2.1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng 14
II.2.2. Vật siêu dẫn không lý tưởng 15
II.2.3. Hiệu ứng Meissner 16
II.2.4. Từ trường tới hạn 19
II.2.5. Dòng tới hạn 19
II.2.6. Mối liên hệ giữa từ trường tới hạn và dòng tới hạn 22
II.2.7. Phân loại các chất siêu dẫn theo tính chất từ 25
II.3. Tính chất nhiệt 26
II.3.1. Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn 26
II.3.2. Nhiệt dung của chất siêu dẫn 28
II.3.3. Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn 29
II.3.4. Hiệu ứng đồng vị 31
II.3.5. Các hiệu ứng nhiệt điện 31
II.3.6. Các tính chất khác 32
II.4. Phân biệt giữa vật liệu siêu dẫn và vật dẫn điện hoàn hảo 32
III. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn 33
III.1. Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường 33
III.2. Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn 33
III.3. Lý thuyết Ginzburg – Landau 34
III.3.1. Phương trình Ginzburg – landau 34
III.3.2. Độ dài kết hợp 36
III.4. Lý thuyết BCS 36
III.4.1. Lý thuyết BCS 36
III.4.2. Cặp Cooper 37
IV. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao 38
IV.1. Sơ lược về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn nhiệt độ cao 38
IV.2. Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao 41
IV.3. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình 42
IV.3.1. Vài nét về oxit siêu dẫn 42
IV.3.2. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy 43
IV.3.3. Chất siêu dẫn MgB2 45
IV.4. Tính chất khác 46
V. Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn 47
V.1. Tàu chạy trên đệm từ. 47
V.2. Máy chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) 49
V.3. Máy gia tốc hạt bằng chất siêu dẫn nhiệt độ cao 51
V.4. Truyền tải năng lượng ( Electric Power Tranmission) 51
V.5. Nam châm siêu dẫn trong lò phản ứng nhiệt hạch 52
V.6. Khả năng giữ được trạng thái plasma: 53
V.7. Bom E: 53
V.8. Siêu máy tính: 54
V.9. Ăngten mini ( Miniature Antennas) 54
V.10. Công tắc quang học: 55
V.11. Bình tích trữ năng lượng từ siêu dẫn ( Superconducting Manetic Energy Storage – SMES) 55
V.12. Các bệ phóng điện từ ( Electrmagetic Launchers): 55
V.13. Tách chiết từ: 56
V.14. Hệ thống từ thủy động lực ( Magnetohydro Dynamic System, MHD) 56
V.15. Máy lạnh từ: 57
V.16. Biến thế siêu dẫn 57
V.17. Máy phát điện siêu dẫn 57
V.18. Động cơ siêu dẫn 58
V.19. Thiết bị máy phát – Động cơ siêu dẫn kết hợp 58
V.20. Tàu thủy siêu dẫn 58
V.21. Thiết bị dò sóng milimet 59
V.22. Bộ biến đổi analog/digital(A/D convertor) 59
V.23. Màn chắn từ và thiết bị dẫn sóng 59
V.24. Thiết bị sử lý tín hiệu 60
V.25. Ôtô điện 60
V.26. Cảm biến đo từ thông ba chiều 60
V.27. Thiết bị Synchrotrons 60
V.28. Lò phản ứng nhiệt hạch từ 61
VI. Một số phát hiện mới về hiện tượng siêu dẫn 61
VI.1. Chất siêu dẫn trong răng người 61
VI.2. Chất siêu dẫn 1.5 62
VI.3. Hành xử theo cả hai kiểu 63
VI.4. Hỗn hợp tương tác 63
VI.5. Silicon siêu dẫn ở nhiệt độ phòng 64
VI.6. Vật liệu nano mới mang đồng thời tính siêu dẫn và tính sắt từ 65
Lời kết 69
Tài liệu tham khảo 70

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
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 và cuối cùng là những ứng dụng cụ thể trong khoa học – đời sống. Có thể giúp các bạn có một cái nhìn cụ thể hơn về hiện tượng này, và biết được những điều mới lạ, thú vị trong việc ứng dụng siêu dẫn vào công nghệ hiện đại.
Hy vọng tài liệu này sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên, cũng như những người đam mê khoa học có mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tượng siêu dẫn – một vấn đề còn rất nhiều điều kỳ bí.
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.
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 -196οC) 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 có thể tìm hiểu một cách dễ dàng hơn về hiện tượng này – và làm sáng tỏ những điểm quan trọng về hiện tượng đầy bí ẩn trong vật lý chất rắn này.
Chúng ta thấy rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời 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 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.

http://goo.gl/y7yAA5

Share this:

• Twitter

• Facebook

Like this:

Like

Loading…