Hiện nay vật liệu siêu dẫn được ứng dụng ở nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau từ vật lý, y học đến các công trình xây dựng. Vậy vật liệu siêu dẫn là gì và nó được hình thành như thế nào? Hãy cùng chúng tôi khám phá bài viết dưới đây nhé.
Vật liệu siêu dẫn là gì?
Siêu dẫn là một hiện tượng xảy ra khi vật thể ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ. Lúc này mức điện trở của vật dẫn trở về bằng 0, khiến nội từ trường bị suy giảm theo hiệu ứng Meissner.
Trong vật lý, để tạo ra hiện tượng siêu dẫn, người ta sẽ tạo ra một lực hút giữa các electron truyền dẫn. Từ đó làm sản sinh việc trao đổi phonon tạo ra từ cặp electron tương quan.
Ngoài ra còn tồn tại một vật chất siêu dẫn có tính dẫn nhiệt cao hơn lý thuyết và thấp hơn so với nhiệt độ thường trong phòng. Tuy nhiên những nghiên cứu về chất siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn chưa hoàn chỉnh.
Lịch sử hình thành vật liệu siêu dẫn:
Năm 1911, trong một lần thực hiện thí nghiệm với thủy ngân, nhà vật lý Hà Lan – Maoneis đã vô tình phát hiện ra khi ở nhiệt độ -269°C, thuỷ ngân sẽ có điện trở bằng không. Lúc này ông gọi đó là tính siêu dẫn.
Việc tìm ra được một hiện tượng mới lạ này đã mở ra các khám phá quan trọng trong ngành khoa học kỹ thuật. Các nhà khoa học bắt đầu sử dụng chất siêu dẫn để chế tạo ra các vật chất có từ tính mạnh. Với mục đích phục vụ cho các lĩnh vực khoa học kỹ thuật và sản xuất khác nhau trong đời sống. Tuy nhiên, “đời không như là mơ”, việc ứng dụng tính siêu dẫn lên các kim loại thuần khiết như chì, thiếc… lại cho từ trường rất nhỏ.
Đến những năm 30 của thế kỷ XX, sau nhiều năm nghiên cứu không ngừng, các nhà khoa học đã tìm ra được một loại nguyên tố mới nếu cho vào các kim loại thuần khiết sẽ tạo được một loại hợp kim mà ở đó cường độ dòng điện và cường độ từ trường được tăng lên nhiều.
Giai đoạn năm 1930, các nhà khoa học Liên Xô bắt tay vào chế tạo hợp kim siêu dẫn có giới hạn từ trường đạt 2 tesla. Hai hợp kim siêu dẫn này gọi là hợp kim niobi – ziriconi, và hợp kim vanđi – gali.
Ngoài ra, còn có một số oxit kim loại kiểu cấu trúc A – 15. Ưu điểm của các vật chất siêu dẫn ở giai đoạn này chính là không có điện trở, nhờ đó vừa có thể làm giảm tĩnh điện, không gây ra những tổn thất nhiệt, vừa có thể tích nhỏ và công suất lớn.
Tiếp đến là giai đoạn những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo được loại vật liệu siêu dẫn có từ trường đạt đến 10 tesla. Từ đó được ứng dụng rộng trong các lĩnh vực đòi hỏi công nghệ kỹ thuật cao như cộng hưởng từ hạt nhân, máy gia tốc, buồng bọt, máy phát điện… Thế nhưng một nhược điểm của vật liệu siêu dẫn chính là chỉ hoạt động hiệu quả ở điều kiện nhiệt độ rất thấp. Điều này khiến các kỹ sư đối mặt với nhiều thách thức như tốn nhiều chi phí để tạo nên môi trường có nhiệt độ.
Giai đoạn năm 1957, các nhà khoa học đưa ra lý thuyết BCS nhằm giải thích hiện tượng siêu dẫn. Theo đó, lý thuyết BCS cho rằng lý do dẫn đến hiện tượng siêu dẫn là do ở môi trường nhiệt độ cực thấp, các điện tử tự do trong chất siêu dẫn sẽ sắp xếp nối tiếp nhau tạo thành chuỗi dài. Lúc này, các điện tử sẽ chuyển động định hướng bên trong khiến chất siêu dẫn không còn lực trở của dòng điện tử, từ đó hình thành nên dòng điện không có trở lực.
Giai đoạn năm 1986, hai kỹ sư Muler và Bainos của công ty IBM Mỹ và Thụy Điển đã khám phá ra được oxit các kim loại lantan – bari – đồng có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao ngay cả trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chính những nghiên cứu này đã nhen nhóm một tia hy vọng về tương lai của việc ứng dụng vật liệu siêu dẫn trong sản xuất và đời sống.
Đến nay, có không ít các nhà khoa học ở nhiều nước triển khai nghiên cứu cách nâng cao giới hạn nhiệt độ siêu dẫn. Tiêu biểu trong số đó là nhà khoa học quốc tịch Mỹ gốc Hoa – Chu Kinh Hoà và nhà khoa học Trung Quốc – Triệu Trung Hiền.
Xem thêm:
Các ứng dụng của vật liệu siêu dẫn:
- Chuyển tải điện năng
- Giúp đoàn tàu hoạt động êm ái trên đệm từ
- Tạo ra máy gia tốc mạnh
- Máy đo điện trường siêu chuẩn xác
- Dụng cụ ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc
- Máy quét MRI dùng trong y học
Xem thêm:
Trên đây là những kiến thức thực sự thú vị lý giải khái niệm vật liệu siêu dẫn là gì, lịch sử hình thành và các ứng dụng phổ biến của nó. Hy vọng bạn sẽ có thêm những thông tin hữu ích nhất nhé.
Hiện tượng siêu dẫn là gì
Lời giải:
- "Siêu dẫn"là"hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường [hiệu ứng Meissner]".Siêu dẫnlà một hiện tượnglượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học.
-Trongchất siêu dẫnthông thường,sự siêu dẫnđược tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảy sinh từ việc trao đổiphonon, làm cho các electron dẫn trongchất siêu dẫnbiểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan.
-Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là cácchất siêu dẫnkhác thường, phô bàytính chất siêu dẫnnhững tính chất vật lý trái ngược lý thuyết củachất siêu dẫn đơn thuần. Đặc biệt, cóchất siêu dẫn nhiệt độ caocótính siêu dẫntại nhiệt độ cao hơn lý thuyết thường biết [nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng].
-Từ trường bên trong vật dẫn điện hoàn hảo vàvật siêu dẫndưới tác động của môi trường ngoài ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp [nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ Curie]. Từ trường bị đẩy ra khỏi vậtsiêu dẫnở nhiệt độ thấp không phụ thuộc vào trạng thái ban đầu của vật liệusiêu dẫnở nhiệt độ phòng. Trạng thái của vậtsiêu dẫnở nhiệt độ thấp là trạng thái không thuận nghịch.
-Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0oK điện trở của kim loại sạch đều rất bé.
-Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tcthì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:
+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.
+ Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.
Cùng Top lời giải tìm hiểu về thêm kiến thức lý thuyết về dòng điện trong kim loại nhé
1. Bản chất của dòng điện trong kim loại
Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại:
- Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hóa trị trở thành các ion dương.
Hình 1.1. Mạng tinh thể tạo bởi các ion dương sắp xếp có trật tự và các electron tự do chuyển động hỗn loạn+ Các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại.
+ Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng.
- Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự do với mật độ n không đổi. Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do.
- Điện trườngE→do nguồn điện ngoài sinh ra đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện.
- Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại.
- Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt.
⇒ Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường.
2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ
Điện trở suất ρ của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất: ρ = ρ0[1 + α[t - t0]]
Trong đó:
+ ρ0là điện trở suất ở nhiệt độ t0oC [thường ở 20oC]
+ ρ là điện trở suất ở nhiệt độ toC
+ α là hệ số nhiệt điện trở [K-1]
Hệ số nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.
3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn
- Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0oK điện trở của kim loại sạch đều rất bé.
- Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tcthì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
- Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn:
+ Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh.
+ Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.
4. Hiện tượng nhiệt điện
- Nếu lấy hai dây kim loại khác nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn giữ ở nhiệt độ thấp thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, trong mạch có một suất điện động E. E gọi là suất điện động nhiệt điện và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau gọi là cặp nhiệt điện.
- Suất điện động nhiệt điện:
E = αT[T1- T2]
Trong đó:
+ T1là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn [K]
+ T2là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn [K]
+ αTlà hệ số nhiệt điện động [V/K]
- Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.