Khám Phá Hiện Tượng Siêu Dẫn: Tính Chất và Ứng Dụng

Luận văn tốt nghiệp vật lý nghiên cứu tốt nghiệp vật lý hiện tượng siêu dẫn, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện pháp cải tiến thực tế.

• Người hướng dẫn: Thầy Urdu Ác Cy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM
• Chuyên ngành: Vật Lý
• Đề tài: Khám Phá Hiện Tượng Siêu Dẫn: Tính Chất, Ứng Dụng và Thí Nghiệm
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2001
• Địa điểm: TP HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. PHẦN MỘT: SỰ KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN, TÍNH CHẤT VÀ NHỮNG LÝ THUYẾT MÔ TẢ CHÚNG
• 1.1. CON ĐƯỜNG DẪN ĐẾN KHÔNG ĐỘ TUYỆT ĐỐI
• 1.2. SỰ DẪN ĐIỆN CỦA KIM LOẠI Ở NHIỆT ĐỘ THẤP VÀ PHÁT MINH BẤT NGỜ NĂM 1911
• 1.3. CÁC CHẤT SIÊU DẪN
• 1.4. HIỆU ỨNG MEISSNER
• 1.5. LÝ THUYẾT ĐẦU TIÊN VỀ HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN: PHƯƠNG TRÌNH LONDON
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khám Phá Hiện Tượng Siêu Dẫn Tổng Quan và Tính Chất

Hiện tượng siêu dẫn là một trong những phát hiện quan trọng nhất trong vật lý hiện đại. Được phát hiện lần đầu vào năm 1911 bởi Kamerlingh Onnes, tính chất siêu dẫn cho phép các vật liệu dẫn điện mà không có điện trở. Điều này có nghĩa là dòng điện có thể lưu thông mà không bị mất năng lượng do nhiệt. Hiện tượng này xảy ra ở nhiệt độ rất thấp, gần với không độ tuyệt đối. Sự khám phá này không chỉ mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới mà còn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại.

1.1. Lịch Sử Khám Phá Hiện Tượng Siêu Dẫn

Sự khám phá hiện tượng siêu dẫn bắt đầu từ những thí nghiệm về dẫn điện ở nhiệt độ thấp. Kamerlingh Onnes đã thực hiện thí nghiệm với thủy ngân và phát hiện ra rằng điện trở của nó giảm xuống bằng 0 ở nhiệt độ 4.2 K. Điều này đã mở ra một chương mới trong nghiên cứu vật lý và công nghệ.

1.2. Tính Chất Của Vật Liệu Siêu Dẫn

Các vật liệu siêu dẫn có khả năng dẫn điện mà không bị mất năng lượng. Tính chất này phụ thuộc vào nhiệt độ và cấu trúc của vật liệu. Nhiệt độ tới hạn là điểm mà tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái bình thường sang trạng thái siêu dẫn.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Siêu Dẫn

Mặc dù hiện tượng siêu dẫn đã được phát hiện từ lâu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc hiểu rõ bản chất của nó. Một trong những vấn đề lớn là việc tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí trong việc làm lạnh mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong công nghệ.

2.1. Thách Thức Trong Việc Tìm Kiếm Vật Liệu Siêu Dẫn Mới

Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào việc phát hiện các vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao hơn. Các hợp kim và oxyt là những ứng viên tiềm năng, nhưng việc tìm ra chúng vẫn là một thách thức lớn.

2.2. Vấn Đề Ứng Dụng Thực Tế

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc ứng dụng siêu dẫn trong công nghiệp vẫn gặp khó khăn. Chi phí sản xuất và yêu cầu về nhiệt độ thấp là những rào cản lớn cần được giải quyết.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hiện Tượng Siêu Dẫn

Để nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, từ thí nghiệm thực nghiệm đến mô hình lý thuyết. Các thí nghiệm này giúp xác định các tính chất của vật liệu và hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của siêu dẫn.

3.1. Thí Nghiệm Điện Trở Ở Nhiệt Độ Thấp

Thí nghiệm của Onnes với thủy ngân là một trong những thí nghiệm quan trọng nhất trong nghiên cứu siêu dẫn. Kết quả cho thấy điện trở của thủy ngân giảm xuống bằng 0 ở nhiệt độ rất thấp, chứng minh rằng siêu dẫn là một hiện tượng thực sự.

3.2. Mô Hình Lý Thuyết Về Siêu Dẫn

Các mô hình lý thuyết như lý thuyết BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) đã được phát triển để giải thích hiện tượng siêu dẫn. Những mô hình này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành cặp Cooper và sự dẫn điện không mất năng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Siêu Dẫn Trong Công Nghệ

Siêu dẫn có nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại, từ y tế đến năng lượng. Các thiết bị như máy MRI và các hệ thống lưu trữ năng lượng đều sử dụng công nghệ siêu dẫn để cải thiện hiệu suất và giảm chi phí.

4.1. Ứng Dụng Trong Y Tế

Máy chụp cộng hưởng từ (MRI) sử dụng siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và giảm thời gian chụp. Công nghệ này đã cách mạng hóa lĩnh vực y tế.

4.2. Ứng Dụng Trong Lưu Trữ Năng Lượng

Hệ thống lưu trữ năng lượng siêu dẫn cho phép lưu trữ và giải phóng năng lượng một cách hiệu quả. Điều này rất quan trọng trong việc quản lý lưới điện và giảm thiểu lãng phí năng lượng.

V. Kết Luận Tương Lai Của Nghiên Cứu Siêu Dẫn

Nghiên cứu về hiện tượng siêu dẫn vẫn đang tiếp tục phát triển. Với những tiến bộ trong công nghệ và vật liệu, tương lai của siêu dẫn hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển Vọng Nghiên Cứu Siêu Dẫn

Các nhà khoa học đang tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn mới với nhiệt độ tới hạn cao hơn. Điều này có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ.

5.2. Tác Động Đến Công Nghệ Tương Lai

Sự phát triển của công nghệ siêu dẫn có thể thay đổi cách thức mà con người sử dụng năng lượng và phát triển các thiết bị điện tử, từ đó tạo ra một tương lai bền vững hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SU PHAM TP.HCM KHOA VAT LY cs lle LUAN BAN TOT NGHIEP Giảng viên hướng dẫn : Thầy Urdu ác Cy Sinh viên thựchiện : SV Be hi Thu Ha THU -ViIEN † MS ` Su|. Họa: Su hoon! TP 04Ö* Omi eA xo | NIÊN KHÓA: 1997-2001 nd sự nên Ngày nay với sự tiến bộ và phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật đặc biệt là trong các lĩnh vực vật lí năng lượng cao , kĩ thuật từ trường mạnh và linh kiện điện tử đã mang lại cho con người những thành tựu đáng kể. Việc phát hiện ra tính siêu dẫn đã mang lại cho loài người một triển vọng ứng dụng khá rộng rãi mà đặc biệt là trong các lĩnh vực vừa nêu trên. Vậy hiện tượng siêu dẫn là gì ? Nó có bản chất như thế nào và những ứng dụng thực tế ra sao ? Đó chính là mục đích mà em muốn trình bày trong luận văn này.

Tập luận văn gồm có 5 phần chính : Phin một : Sự khám phá ra hiện tượng siêu dẫn. tinh chất và những lý thuyết mô tả chúng. Phân hai : Khả năng siêu việt của các chất siêu dẫn và ứng dụng của chúng. Phin ba : Siêu dẫn ở nhiệt độ cao.

Phần bốn : Kết luận chung về hiện tượng siêu dẫn , Phần năm: Mô tả thí nghiệm về hiện tượng siêu dẫn. Mặc dù hiện tượng siêu dẫn được phát hiện cách đây gần một thế ki (phát hiện năm 1911) nhưng đây là một hiện tượng còn mang nhiều bí ẩn ma các nhà bác học đang ra sức làm sáng tỏ những bí ẩn đó nên tài liệu liên quan đến để tài còn hạn chế. Mặt khác do thời gian và trình độ có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những sai sót. Em xin chân thành ghi nhận những góp ý quí báu của quí thây cô và các bạn sinh viên.

Cuối cùng em xin cảm ơn thầy Ze .Z« Fy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận van, toàn thể quí thay cô trong khoa Vật lí cùng các bạn sinh viên đã tạo diéu kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này. TP HCM _ ngày 16, tháng 6, năm 2001. Sinh viên Ke Thi Thun Ha PHẦN MỘT : SỰ KHÁM PHÁ RA HIỆN TƯỢNG SIÊU DẪN TÍNH CHẤT VÀ NHỮNG LÝ THUYẾT MÔ TẢ CHÚNG §1. CON DUONG DẪN ĐẾN KHONG ĐỘ TUYỆT ĐỐI.

£o“Y' ca TÏiện tượng siêu dẫn một trong những hiện tượng vật lí kì lạ nhất. lí thú nhất và có nhiều ứng dụng quan trọng nhất , nó được khám phá trong công cuộc tìm kiếm nhiệt độ siêu thấp được bắt dau từ ý đổ biến chất khí thành chất lỏng. Những nghiên cứu đầu tiên được thực hiện cuối thế kỉ l7 và định luật đầu tiên được thiết lập là định Boyle _Mariotte do hai nhà vật lí: R.Boyle người Anh nghiên cứu vào năm 1662 và E.Mariotte người Pháp vào năm 1676 độc lập nghiên cứu với Boyle .Các đường đẳng nhiệt đối với áp suất và thể tích của chất khí được Boyle và Mariotte tìm thấy là những đường hyperbol .Một diéu thú vị là Boyle nhận xét rằng các đường đẳng nhiệt thu được từ thí nghiệm của ông hơi khác đường hyperbol.Diéu này không đơn giản như ông nghĩ rằng là do sai số thực nghiệm ,sự khác biệt này là điều rất quan trọng mà mãi hai thế ki sau mdi được làm sáng tỏ. Định luật thứ hai về chất khí do J.Khi nghiên cứu vé su dan nở nhiệt của chất khí đã phát hiện rằng với cùng một khối lượng đã cho tất cả các chất khí mà J.Dalton nghiên cứu như oxi,hidrô, nitơ,cacbonic khi nung nóng đều din nở với mức độ như nhau .Sau đó nhà vật lí người Pháp Gay_Lussac diễn đạt định luật này một cách định lượng hơn :khi tăng nhiệt độ lên 1 độ thì tất cả các chất khí đều tăng thể tích lên Pa thể tích ban đầu trong khoảng nhiệt độ nóng chảy của nước đá đến nhiệt độ sôi của nước.

Vào giữa thế kỉ 19,nhà vật lí người Pháp Clapayron đã thống nhất các định luật Boyle Mariotte và Charles Gay Lussac thành định luật chung cho chất khí : PV = rr. ụ Với R=8,3 J/mol độ :hằng số chất khí .thể tích và nhiệt độ của chất khí. Nếu giảm nhiệt độ đi 1 độ thì thể tích khí giảm m và ở -273 °C thể tích của khối khí phải giảm đến 0 ,chất khí co lại thành một điểm. Nhiệt độ thấp nữa là không thể có và nhiệt độ giới hạn này được Thomson goi là không độ tuyệt đối .Nhiệt độ T gọi là nhiệt độ tuyệt đối.

Liệu định luật Boyle_Mariotte có đúng với mọi chất khí hay không? Đó là vấn để mà nhà bác học Hà Lan M.Van Marum muốn làm sáng tỏ. Điều bất ngờ trong thí nghiệm của ông là khi áp suất đạt 700 kPa (7 at) thể tích của chất khí giảm đột ngột và khí biến thành chất lỏng. Theo con đường của Van Marum các nhà vật lí đã có thể hóa lỏng vài chất khí ở nhiệt phòng bằng cách tăng áp suất lên đáng kể .Ở châu Au lúc bấy giờ người ta đã dat áp suất vài nghìn atmotphe .Những cố gắng đó đã dẫn đến sự ra đời của kĩ thật áp suất cao và nó phát triển rực rỡ trong thế kỉ 20 .Mặc dù vậy, vẫn còn hàng loạt chất khí chưa hóa lỏng được như không khí,oxi,nitơ và hidrô được gọi là các chất khí "bất trị". Các nhà vật lí lúc đó vẫn chưa hiểu được vai trò của áp suất và nhiệt độ trong việc hóa lỏng các chất khí , hiện tượng chất khí hóa thành chất lỏng là một diéu bí ẩn.

Một trong nhà bác học đầu tiên hiểu được để hóa lỏng các chất khí "bất trị" cẩn áp suất cao và nhiệt độ thấp là M.Ông đã hóa lỏng được khí Clo .Tuy nhiên các chất khí “bất trị” vẫn giữ nguyên thể khí mà mãi về sau các nhà vật lí mới khám phá ra được nguyên nhân của nó. Bên cạnh các nhà vật lí cố gắng biến chất khí thành chất lỏng thì có những nhà nghiên cứu ngược lại :quá trình bay hơi. Năm 1822 một người Pháp tên là Kanier de Latur nghiên cứu vấn dé chất lỏng sẽ biến đổi như thế nào khi được nung nóng trong một bình được hàn kín .Ông đổ cổn vào một bình thủy tinh có thành thật đẩy và nung nóng lên ,ông đã nhìn thấy một điều thú vị :khi áp suất hơi đạt cỡ 12 triệu Pa thì ranh giới phân chia giữa lỏng và hơi hoàn toàn biến mất và đến nửa thế kỉ sau người ta mới đặt tên cho trạng thái lạ lẫm này là trạng thái tới hạn. Nghiên cứu trạng thái tới hạn này còn có nhà hóa học Nga Medeleev và nhà khoa học người Scotlen Andrews .Theo công việc ,về thực chất thi Andrews đã lặp lại thí nghiệm của Boyle_Mariotte , ông thực hiện thí nghiệm với các chất khí N;, HCl, NH;và chủ yếu là khí CO;.

ông thu được đường đẳng nhiệt hơi khác so với đường đẳng nhiệt của Boyle_Mariotte ở chỗ : trên các đường đẳng nhiệt của Andrews có các đoạn song song với trục thể tích, ở bên trái các đoạn thẳng đó chất khí ở thể lỏng, còn ở bên Bi chất ở thể hơi. Ở ngay trên các đoan a ` := = —%'` se ` , L — — — ————~ Z4 s+V Hình | : Các đường ding nhiệt của khi thực. Nhiệt độ càng cao thì đoạn thẳng nằm ngang càng ngắn lại, đến một nhiệt độ nào đó đoạn thẳng thu lại thành một điểm , tại đây ta không phân biệt được chất lỏng và hơi. Đó là trạng thái tới hạn .Nhiệt độ ,áp suất và thể tích của chất khí lúc đó gọi là nhiệt độ tới han , áp suất tới hạn và thể tích tới hạn.

Từ kết quả thí nghiệm Andrews rút ra kết luận là ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn thì không thể hóa lỏng chất khí. Muốn hóa lỏng chất khí đầu tiên phải hạ nhiệt độ xuống đưới nhiệt độ tới han để biến nó thành hơi,sau đó tăng áp suất để biến hơi thành chất lỏng. Andrews đã viết "Tính "bất trị" của oxi ,hidrô và nhiều chất khí khác mà ta không thể hóa lỏng được là do chúng có nhiệt độ tới hạn quá thấp mà ta chưa dat tới”. Chất khí mà đường đẳng nhiệt là đường hyperbol gọi là khí lí tưởng, còn chất khí có đường đẳng nhiệt khác đường hyperbol được gọi là khí thực .Năm 1873 nhà vật lí nổi tiếng thế giới người Hà Lan Van der Walls công bố công trình nghiên cứu lí thuyết giải thích kết quả của Andrews.

Đó là lí thuyết đầu tiên vé khí thực .Phương trình trạng thái đầu tiên về khí thực được gọi là phương trình Van der Walls .Tính toán theo phương trình Van der Walls cho thấy nhiệt 46 tới han của các chất khí "bất trị" quả thực rất thấp. >) HIỆNTƯỢNC &#U DẪN ce k | Vấn để nảy sinh là làm sao đạt được nhiệt độ rất thấp. Người đầu tiền tấn công vào nhiệt độ thấp là một kĩ sư người Pháp Caiché và một nhà vật lí người Thuy Sĩ tên là R. Họ nghiên cứu độc lập với nhau nhưng lại thu được kết quảgiống nhau Caiché đã hóa lỏng được axêtilen, sau đó là oxi và nitơ nhờ làm lạnh đột ngột chất khí khi cho nó dan thật nhanh ra ngoài không khí .Trong quá trình này chất khí biến nội năng của minh thành công ,do đó nội nang của nó hạ xuống .Thiết bị làm lanh kiểu này được kĩ sư người Đức Simens sáng chế trước đó 20 năm .Pictet đã thu được oxi lỏng ở nhiệt độ 130 °K (-143°C ) và áp suất 31 Mpa .Còn trong các thì nghiệm của Caiché .nhiét độ cuối cùng dat được là 70 °K (-203°C).

Năm 1892 giáo sư vật thực nghiệm viện đại học Hoàng gia Luân Đôn J.Dewar đã sáng chế một loại bình để chứa các chất khí hóa lỏng và được dùng đến ngày hôm nay gọi bình Dewar. Nó có dạng hai lớp. không khí được bơm hết ra khoảng giữa hai lớp này. Để giảm hơn nữa sự dẫn nhiệt do bức xạ , Dewar tráng bạc cho thành bình,nhờ đó thành bình phan xa hầu hết bức xa nhiệt đập đến nó.

Sau khi hóa lỏng oxi và nitơ người ta tìm cách hóa lỏng hidrô. Ngoài Caiché và Pictet còn có hai giáo sư Ba Lan Vroblevski và Olsevski nghiên cứu vấn để này nhưng không thành công vì nhiệtZẩđi hạn của hidrô quá thấp khoảng 33 °K (-240 °C) .Như vậy can phải tìm kiếm một giải pháp vật lí khác để khắc phục khó khăn này .Giải pháp này được hai nhà vật lí Anh J.