MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu siêu dẫn đƣợc phát hiện cách đây hơn 20 năm đã mở ra triển vọng to lớn trong việc nghiên cứu, ứng dụng các chất siêu dẫn. 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 nhƣ nó có thể chạy mãi.
Cùng kích thƣớc, chất siêu dẫn mang một lƣợng điện lớn hơn dây điện và cáp tiêu chuẩn. Trong các thập kỷ qua, nhu cầu điện năng tăng cao dẫn đến cần phải tăng công suất truyền tải cho các mối liên kết những nguồn điện với trung tâm tiêu thụ. Một trong những giải pháp là nâng điện áp danh định bằng cách xây dựng đƣờng dây truyền tải điện siêu dẫn. Chúng ta thấy rằng hiện tƣợng 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 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 ngƣời trong mọi lĩnh vực. Qua đó có thể thấy các ứng dụng của chất siêu dẫn không còn xa lạ với con ngƣời nữa. Với mong muốn đƣợc nâng cao hiểu biết của mình về vấn đề này, nhanh chóng tiếp cận với những kiến thức và ứng dụng mới lạ của hiện tƣợng siêu dẫn nên em đã chọn đề tài “Hiện tƣợng siêu dẫn và ứng dụng trong truyền tải điện năng bằng siêu dẫn”. Hy vọng đề tài sẽ là một tƣ liệu bổ ích cho các bạn sinh viên có mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tƣợng thú vị này.
Lịch sử nghiên cứu Hiện tƣợng siêu dẫn đƣợc nhà nghiên cứu vật lý Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes khám phá ra vào năm 1911. Đây là một trong những khám phá khoa học vĩ đại của lịch sử nhân loại. Tuy nhiên việc ứng dụng công nghệ mới này vào truyền tải điện năng vẫn còn nhiều thách thức với các nhà khoa học. Nhƣng với sự phát triển nhanh của khoa học kỹ thuật thì con ngƣời sẽ sớm làm chủ công nghệ đƣa vào ứng dụng thực tế.
Mục tiêu nghiên cứu - Hệ thống cơ sở lý thuyết về hiện tƣợng siêu dẫn và truyền tải điện bằng chất siêu dẫn. - Trình bày các thông số kỹ thuật và đặc tính kinh tế kỹ thuật của đƣờng dây truyền tải điện bằng vật liệu siêu dẫn 4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Vật liệu siêu dẫn. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp, phân tích và hệ thống tài liệu liên quan.
Bố cục luận văn Tên đề tài: “Hiện tƣợng siêu dẫn và ứng dụng trong hệ thống điện bằng truyền tải siêu dẫn.” Bố cục luận văn gồm các phần chính sau: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết hiện tƣợng siêu dẫn Chƣơng 2: Tổng quan về truyền tải siêu dẫn Chƣơng 3: Các thông số và đặc tính kinh tế kỹ thuật của đƣờng dây truyền tải siêu dẫn 2 CHƢƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆN TƢỢNG SIÊU DẪN 1. Hiện tƣợng siêu dẫn 1. Khái niệm hiện tƣợng 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 trƣờng thì từ trƣờng bị đẩy ra khỏi nó. Hiện tƣợng siêu dẫn là hiện tƣợng mà điện trở của một chất nào đó đột ngột giảm về 0 ở một nhiệt độ xác định.1 Sự mất điện trở của chất siêu dẫn ở nhiệt độ thấp 1.
Điện trở không Về nguyên tắc, ở dƣới nhiệt độ chuyển pha, điện trở suất của chất siêu dẫn xem nhƣ hoàn toàn biến mất. Bằng thực nghiệm không thể chứng minh đƣợc rằng điện trở trong thực tế bằng 0. Bởi vì điện trở của nhiều chất trong trạng thái siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy mà các thiết bị đo cho phép có thể ghi nhận đƣợc. Trong trƣờng hợp nhạy hơn, cho dòng điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, khi đó nhận thấy dòng điện hầu nhƣ không suy giảm trong thời gian rất dài.
Giả thiết rằng tự cảm của xuyến là L, khi đó nếu ở thời điểm t = 0 ta bắt đầu cho dòng I(0) chạy vòng quanh xuyến, ở thời gian muộn t , cƣờng độ dòng điện chạy qua xuyến tuân theo công thức: i(t) = i(0) ( ) (1.1) Trong đó R là điện trở của xuyến. Ta có thể đo từ trƣờng tạo ra dòng điện xung quanh xuyến. Phép đo từ trƣờng không lấy năng lƣợng từ mạch mà vẫn cho ta 3 khả năng quan sát dòng điện luân chuyển không thay đổi theo thời gian và có thể xác định đƣợc điện trở của kim loại siêu dẫn cỡ < 10-26 Ω 1. Nhiệt độ tới hạn và độ rộng chuyển pha Năm 1911, Heike Kamerlingh Onnes làm thí nghiệm với thủy ngân nhận thấy rằng sự phụ thuộc của điện trở thủy ngân vào nhiệt độ khác hẳn sự phụ thuộc đối với 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 đƣợc rằng: điện trở của Hg ở trạng thái rắn (trƣớc điểm nóng chảy cỡ 234K (-39 ) là 39,7 Ω. Trong trạng thái lỏng tại 0 (cỡ 273K) có giá trị là 172,7 Ω. Tại gần 4K có giá trị 8.10-2 Ω và tại T 3K có giá trị nhỏ hơn 3. Nhƣ vậy có thể coi là ở nhiệt độ T< 4K, điện trở của Hg biến mất (hoặc xấp xỉ bằng 0).
Ở nhiệt độ xác định (Tc) điện trở của một chất đột ngột biến mất, nghĩa là chất đó có thể cho phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở, trạng thái đó đƣợc gọi là trạng thái siêu dẫn. Chất có biểu hiện trạng thái siêu dẫn gọi là chất siêu dẫn. Nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất đƣợc gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu Tc). Có thể hiểu rằng nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn là nhiệt độ mà tại đó một chất chuyển từ trạng thái thƣờng sang trạng thái siêu dẫn.
Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng không đƣợc gọi là độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu ). Độ rộng chuyển pha phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. Các vật liệu siêu dẫn 1. Vài nét về lịch sử phát hiện các chất siêu dẫn Cách đây gần một thế kỷ, siêu dẫn còn chƣa ai biết tới thì giờ đây lại đang là mật vấn đề rất nóng đối với các nhà vật lý hiện đại.
Năm 1908 Kamerlingh Onnes đã đặt bƣớc tiến đầu tiến đầu tiên trong việc ra siêu dẫn khi ông hóa lỏng đƣợc khí trơ cuối cùng là Heli tại trƣờng đại học tổng hợp quốc gia Leiden (Hà Lan) năm 1911 cũng chính Kamerligh đã phát hiện ra tính chất siêu dẫn của thủy ngân khi nghiên cứu sự thay đổi điện trở một cách đột ngột của mẫu kim loại này ở 4.2 Đường cong siêu dẫn theo nhiệt độ của thủy ngân Ba năm sau chính ông là ngƣời đầu tiên chế tạo đƣợc nam châm siêu dẫn. Năm 1914 phát hiện ra hiện tƣợng dòng điện phá vỡ tính chất siêu dẫn. Năm 1930 hợp kim siêu dẫn đầu tiên đƣợc tìm ra. Năm 1933 Meissner và Ochsenfeld tìm ra hiện tƣợng các đƣờng sức từ bị đẩy ra khỏi chất siêu dẫn khi làm lạnh chất siêu dẫn trong từ trƣờng.
Hiệu ứng này đƣợc đặt tên là hiệu ứng Meissner.3 Walter Meissner và Robert Ochsenfeld 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 đƣợc giải thƣởng Nobel.4 John Bardeen, Leon Cooper và John Schriffer Hầu hết những phát hiện về chất siêu dẫn trong suốt những năm trƣớc 1985 đều không vƣợt quá 24 K. Chất lỏng Heli vẫn là môi trƣờng duy nhất nghiên cứu hiện tƣợng siêu dẫn.A Muller (Thụy Sỹ) đã tìm ra hiện tƣợng siêu dẫn có trong hợp chất gốm La – Ba – Cu – O với nhiệt độ chuyển pha nằm trong vùng nhiệt độ Nito lỏng. Với phát minh này J.A Muller đã đƣợc nhận giải thƣởng Nobel về vật lý năm 1987. Từ đây, ngành vật lý siêu dẫn đã bắt đầu một hƣớng mới, đó là siêu dẫn nhiệt độ cao.
Sự phát minh ra siêu dẫn nhiệt độ cao đã mở ra một thời đại mới cho ngành vật lý siêu dẫn. Nó đánh dấu sự phát triển vƣợt bậc trong quá trình tìm kiếm của các nhà vật lý và công nghệ trong lĩnh vực siêu dẫn. Giải Nobel Vật lý 2003 đƣợc chia đều cho ba nhà khoa học đã có những đóng góp có tính cách cơ bản vào việc khảo cứu hiện tƣợng siêu dẫn (Superconductivity) và siêu lỏng (Superfluidity).5 Abrikosov, Ginzburg, Leggett 6 Alexei A. Abrikosov (sinh năm 1928, quốc tịch Mỹ và Nga) làm việc tại Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, Hoa Kỳ.
Ginzburg (sinh năm 1916, quốc tịch Nga) làm việc tại P.N Lebedev Physical Institute, Moscow, Nga. Leggett (sinh năm 1938, quốc tịch Anh và Mỹ) làm việc tại Versity of Illinois, Urbana, Illinois, Hoa Kỳ. Ở Việt Nam, nghiên cứu về siêu dẫn cũng đã đƣợc các nhà khoa của trƣờng đại học Quốc gia Hà Nội thực hiện trong khoảng gần hai chục năm qua. Các nhà khoa học Việt Nam làm lạnh bằng Nito lỏng và đã tạo ra đƣợc một số vật liệu siêu dẫn.1 Bảng thống kê một số vật liệu siêu dẫn 1.
Tính chất từ 1. Tính nghịch từ của vật dẫn lí tưởng Chất siêu dẫn ở dƣới nhiệt độ chuyển pha của nó biểu hiện không có điện trở. Những vât dẫn nhƣ vậy đƣợc gọi là vật dẫn lý tƣởng hoặc vật dẫn hoàn hảo. Giả thiết rằng: làm ạnh mẫu kim loại xuống dƣới nhiệt độ chuyển pha của nó, mẫu trở thành vật dẫn hoàn hảo.
Điện trở vòng quanh đoạn đƣờng khép kín tƣởng tƣợng bên trong kim loại là 0. Do đó, tổng từ thông bao quanh vật là không đổi. Điều này chỉ đúng trong những trƣờng hợp mật độ từ thông ở tất cả các điểm bên trong kim loại không thay đổi theo thời gian, ví dụ: 7 ⃗⃗⃗⃗⃗ ̅ (tức là ) (1.2) Đó là sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải đƣợc duy trì giống nhƣ trƣớc khi kim loại mất điện trở. Giả thiết rằng mẫu bị mất điện trở khi không có từ trƣờng 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 trƣờng đặt vào.