Đề tài: Lý thuyết về siêu dẫn và ứng dụng - Thí nghiệm vật lí | Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Thực tế, xã hội ngày càng phát triển cùng với những thiết bị công nghệ tiên tiến, thông minh, chính vì vậy sự hiểu biết của chúng ta về các lĩnh vực liên quan tới công nghệ ngày càng phải được nâng cao. Các vấn đề về lượng tử, vật lý hiện đại là những thứ mà các nhà khoa học đang ngày càng phát triển và tìm hiểu. Tài liệu được sưu tầm giúp bạn tham khảo, ôn tập và đạt kết quả cao trong kì thi sắp tới. Mời bạn đọc đón xem !
Môn: Vật lý
Trường: Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Thông tin:
Tác giả:
Tài liệu liên quan:
Preview text:
lOMoARcPSD|46958826 lOMoARcPSD|46958826
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
BỘ MÔN VẬT LÝ
Đề tài: Lý thuyết về siêu dẫn và ứng dụng
GVHD: TS. Đậu Sỹ Hiếu
Sinh viên thực hiện MSSV Trịnh Công Khang 2011375 Bùi Quan Thanh Thiện 2014573 Nguyễn Đức Vinh 2052796 Bùi Quang Thịnh 2012102
Thành phố Hồ Chí Minh tháng 11, 2021 lOMoARcPSD|46958826 MỤC LỤC M
ỤC LỤC . ..................................................................................................................................... 1 LỜ
I MỞ ĐẦU ................................................................................................................................ 3 L
Ý DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................................................ 4 P
HẦN LÝ THUYẾT .....
................................................................................................................ 5 I. H
i ệ n tưở ng s iêu d ẫ n:
................................................................................................................ 5 1. K hái ni ệ m
............................................................................................................................ 5 2. N
hiệt độ giới hạn và
đ ộ rộng chuyển pha ..
.......................................................................... 5
3. S ự tồn tại siêu dẫn trong vật liệu ..
....................................................................................... 6 3.1 Đ
iện trở trong kim loại ............................................................................................ ....... 6 4. Đ
iện trở không ........................................................................
............................................. 7
I I. Vật liệu siêu dẫn: .................................................................................................................... 7 1. Q
uá trình phát hi ệ n và phát tri ể n c
ủ a v ậ t li ệ u s
iêu d ẫ n ........................................................ 7 1.1 P
hát hi ệ n ......................................................................................................................... 7
1.2 P hát tri ể n ...
..................................................................................................................... 7 2. T
ính chất từ ........................................................................................................................ 10 2.1 Tí
nh nghịch từ của vật dẫn lý tưởng ............................................................................ 10 2.2 V
ật siêu dẫn không lý tưởng ........................................................................................ 11 2.3 H
iệu ứng Meissner ....................................................................................................... 12 2.4 K
hái niệm dòng tới hạn và từ trường tới hạn ............................................................... 13 3. T
ính chất nhiệt . .................................................................................................................. 14
3.1 S ự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn ....
.................................................................... 14 3.2 N
hiệt dung của chất siêu dẫn: ...................................................................................... 15 3.3 Đ
ộ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn .................................................................................... 16 3.4 H
iệu ứng đồng vị ..
....................................................................................................... 17 3.5 C
ác hiệu ứng nhiệt điện ............................................................................................... 18
I II. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn ..................................................................................... 18 1. En
tropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường ......
................................................... 18
2. S ự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn . .................................................................. 18
I V. Lý thuyết BCS ..................................................................................................................... 19 1. Lý thuyết BCS ......
............................................................................................................. 19 2. C
ặp Cooper ........................................................................................................................ 20 1 lOMoARcPSD|46958826
V. Chất siêu dẫn nhiệt độ cao.................................................................................................20
1. Sơ lược về lịch sử phát triển các chất siêu dẫn nhiệt độ cao........................................20
2. Lý thuyết liên quan đến siêu dẫn nhiệt độ cao..............................................................22
3. Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình...................................................................24
3.1 Vài nét về oxit siêu dẫn...............................................................................................24
3.2 Một số loại siêu dẫn nhiệt độ cao điển hình chứa Cu và Oxy.................................24
3.3 Một số vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao khác............................................................27
PHẦN ỨNG DỤNG.....................................................................................................................28
Máy phát điện siêu dẫn...........................................................................................................28
Động cơ siêu dẫn......................................................................................................................28
Đệm từ (Bearings)....................................................................................................................28
Siêu máy tính:............................................................................................................................29 L ò ph ả n ứ ng nhi
ệ t h ạ c h t ừ
: .......................................................................................................29 T ruy ề n t ải năng lượ ng (E
lectric Power Tranmission): .............................................................30 C ộn g hưở ng t ừ - M
RI: ..............................................................................................................30 Tàu đệ m t ừ M
aglev: ..................................................................................................................31
LỜI KẾT......................................................................................................................................32
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................33 2 lOMoARcPSD|46958826 LỜI MỞ ĐẦU
Thực tế, xã hội ngày càng phát triển cùng với những thiết bị công nghệ tiên tiến, thông minh,
chính vì vậy sự hiểu biết của chúng ta về các lĩnh vực liên quan tới công nghệ ngày càng phải
được nâng cao. Các vấn đề về lượng tử, vật lý hiện đại là những thứ mà các nhà khoa học đang
ngày càng phát triển và tìm hiểu. Họ đang cố hoàn thiện những khái niệm trừu tượng và nắm
rõ được những nguyên lý cơ bản để có thể hiểu rõ vấn đề mà vật lý hiện đại đề ra. Chính vì
thế mà vấn đề về vật liệu siêu dẫn vẫn đang là một trong đề tài rất được quan tâm trong giới
khoa học. Các nhà nghiên cứu và các nhà khoa học thấy được khả năng phát triển đầy tiềm
năng và những bí ẩn của các vật liệu siêu dẫn là vô vàng. Đó cũng chính là lý do để chúng tôi
lựa chọn siêu dẫn là đề tài để nghiên cứu và báo cáo.
Trong bài báo cáo này, chúng tôi có trình bày về vài nét của quá trình phát triển lịch sử của các
vật liệu siêu dẫn, những lý thuyết về khái niệm siêu dẫn và những hiệu ứng liên quan, đặc
điểm điển hình của hiện tượng siêu dẫn, vật liệu siêu dẫn, cuối cùng là phần ứng dụng của siêu
dẫn trong đời sống – khoa học. Qua đó chúng tôi hy vọng có thể giúp người đọc nhận thức và
có một cái nhìn cụ thể về khái niệm và vai trò của siêu dẫn trong cuộc sống hiện đại. 3 lOMoARcPSD|46958826
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Siêu dẫn là hiện tượng đặc biệt của một số vật liệu khi nhiệt độ của vật liệu ấy dưới một
nhiệt độ nhất định (tùy theo từng chất cấu thành vật liệu) điện trở suất của vật liệu bằng không và
khả năng dẫn điện là vô cùng. Hiện tượng siêu dẫn lần đầu được phát hiện vào năm 1911, ở vùng
nhiệt đồ gần như là 0 độ K (≤ 4 K). Ngoài ra người ta còn phát hiện được rằng các chất siêu dẫn
từ trường bên trong nó luôn luôn bằng không và có hiện tượng xuyên ngầm lượng tử…
Mãi sau gần 4 thập kỉ người ta mới có thể lý giải được hiện tượng kì diệu ấy bằng lý thuyết
vi mô. Và dần dần các chất siêu dẫn được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử: Các thiết
bị có độ nhạy cao, độ tin cậy cao được chế tạo ra.
Một ví dụ điển hình là máy chụp cộng hưởng từ dùng trong các bệnh viện ngày nay để chuẩn đoán
chính xác bệnh tật của bệnh nhân (được cấu thành từ cuộn dây tạo từ trường bằng dây siêu dẫn).
Ngoài ra những vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao được các nhà khoa học tìm ra và mở ra một
giả thuyết rằng: “Có thể có một vật liệu đạt trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ phòng”. Từ đó mở ra
một kỷ nguyên mới về vật liệu siêu dẫn. Các nhà khoa học miệt mài nghiên cứu để tìm ra và chứng
minh giả thuyết trên là đúng. Và đúng là họ đã thành công trong một phần phát hiện vật liệu siêu
dẫn ở nhiệt độ khá cao. Tuy nhiên việc làm được như vậy họ đã phải sử dụng áp suất vô cùng lớn
(sấp xỉ 1 triệu lần áp suất khí quyển). Nhưng các nhà khoa học vẫn tự tin khẳng định sẽ có một
ngày nào đó, vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng và áp suất chấp nhận được sẽ được tìm thấy.
Nhận ra tầm quan trọng của vật liệu siêu dẫn và khả năng phát triển tiềm tàng của vật
liệu siêu dẫn sẽ được ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các nhà khoa học đưa
ra nhận định việc phát hiện ra siêu dẫn mang tính đột phá như việc phát hiện ra lượng tử. Các
vật liệu siêu dẫn đã mang đến nhiều lợi ích và thay đổi lớn về kĩ thuật, công nghệ và cả trong
kinh tế và đời sống.
Chúng ta thấy được rằng hiện tượng siêu dẫn đã mang đến cho khoa học và đời sống
những ứng dụng hết sức rỗng rãi và quan trọng. Càng nhiều vấn đề liên quan đến vật liệu siêu dẫn
được tìm thấy đồng thời mở ra những chương mới cho ngành vật liệu siêu dẫn. Các khoa học hiện
nay đã phát hiện ra vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng tuy nhiên vẫn còn vấn đề áp suất để vật liệu
này đạt trạng thái siêu dẫn còn rất lớn. Điều này thúc đẩy một giấc mơ, một hy vọng rằng một
ngày nào đó, vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng cùng với áp suất chấp nhận được sẽ được tìm thấy
và mở ra thêm nhiều ứng dụng thực tế hơn nữa. Lúc ấy vật liệu siêu dẫn sẽ được rộng rãi hơn nữa
vì xã hội ngày càng phát triển, những nghiên cứu, đột phá chưa được tìm ra có thể sẽ được phát
triển khi mà vật liệu ấy được tìm ra. Đấy cũng chính là một trong những lý do mà nhóm chúng tôi
chọn đề tài “Lý thuyết siêu dẫn và ứng dụng của nó” với mong muốn nâng cao hiểu biết của người
đọc về vấn đề siêu dẫn, nhanh chóng tiếp cận với khoa học hiện đại và những ứng dụng có thể phát
triển sau này của vật liệu siêu dẫn. Hy vọng đề tài sẽ là một tư liệu bổ ích cho các bạn sinh viên
mong muốn tìm hiểu thêm về hiện tượng siêu dẫn. 4 lOMoARcPSD|46958826 PHẦN LÝ THUYẾT
I. Hiện tưởng siêu dẫn: 1. Khái niệm
- Siêu dẫn là một trạng thái vật lý của vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ tới hạn,nó cho
phép dòng điện chạy qua trong trạng thái không có điện trở và khi đặt siêu dẫn vào
trong từ trường thì từ trường bị đẩy ra khỏi nó.
- Đặc trưng của chất siêu dẫn là khả năng tải dòng điện một chiều không có sự tiêu tốn
năng lượng và sự đẩy từ trường ra khỏi chất siêu dẫn được giải thích bằng lý thuyết
BCS. Trong đó, người ta kết luận rằng các chất siêu dẫn có các cặp điện tử (cặp
Cooper). Các cặp Cooperdi chuyển không có va chạm trong chất siêu dẫn nên là
không có điện trở. Lý thuyết BSC đã giải thích thoả mãn cho các vật liệu trở thành
siêu dẫn ở những nhiệt độ thấp hơn 240C mà ngày nay hay gọi là siêu dẫn cổ điển.
2. Nhiệt độ giới hạn và độ rộng chuyển pha -
Năm 1911, nhà vật lý Hà Lan Heike Kamerlingh Onnes đã khảo sát điện trở của
những kim loại khác nhau trong vùng nhiệt độ Heli. Trong khi nghiên cứu điện trở
của thuỷ ngân (Hg), ông phát hiện ra rằng nhiệt độ càng thấp thì điện trở Hg càng
giảm cho tới khi T < 4K (-2690C) thì điện trở gần như biến mất (xấp xỉ bằng không). -
Như vậy, nhiệt độ mà tại đó điện trở hoàn toàn biến mất (dòng điện chạy qua mà không gặp
cản trở) được gọi là nhiệt độ tới hạn hoặc nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn (kí hiệu là TC).
Có thể hiểu rằng tại nhiệt độ đó thì một chất chuyển từ trạng thái thường sang
trạng thái siêu dẫn. Không phải chất nào cũng có khả năng chuyển sang trạng thái
siêu dẫn, chất đạt được trạng thái đó được gọi là chất siêu dẫn. -
Và thực tế không có chất nào đạt tới T=0 K và không có kim loại nguyên chất hoàn
toàn nên điện trở bằng 0 chỉ là vật dẫn lý tưởng. -
Khoảng nhiệt độ từ khi điện trở bắt đầu suy giảm đột ngột đến khi bằng 0 được gọi là
độ rộng chuyển pha siêu dẫn (ký hiệu là ΔT). Ví dụ độ rộng chuyển pha của Hg là ΔT =
5.10-2 K. Độ rộng chuyển pha ΔT phụ thuộc vào bản chất của từng vật liệu siêu dẫn. 5 lOMoARcPSD|46958826
3. Sự tồn tại siêu dẫn trong vật liệu
- Tính siêu dẫn tồn tại ở nhiều kim loại, hợp kim, hợp chất -
Trong quá trình nghiên cứu, người ta nhận thấy một số chất không chuyên qua được siêu dẫn: •
Các kim loại hoá trị I. •
Các kim loại sắt từ và phản sắt từ. •
Các kim loại đất hiếm (trừ Lantan) có quỹ đạo không lấp đầy. -
Ngoài ra, khi để ở nhiệt độ phòng, các chất siêu dẫn không dẫn điện tốt bằng các
kim loại thường. Nhiều hợp chất siêu dẫn được tạo nên từ những chất thành phần
không phải là chất siêu dẫn, -
Các điểm chung khác nhau của hợp kim siêu dẫn, hợp chất siêu dẫn so với chất siêu dẫn đơn kim loại: •
Nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC cao. •
Từ trường tới hạn Hc1 và Hc2. •
Không biểu hiện hoàn toàn đúng với hiệu ứng Meissner. •
Độ rộng chuyển pha ∆T tương đối lớn. •
Không đúng với hệ thức Silsbee.
3.1 Điện trở trong kim loại
- Bản thân các vật dẫn phải có điện trở và điện trở của tất cả các kim loại và hợp
kim giảm xuống khi bị làm lạnh. -
Trong cấu trúc tinh thể lý tưởng với các nguyên tử nằm trong mạng tuần hoàn của
kim loại, “các điện tử dẫn” chuyển động tự do dưới dạng sóng suốt mà không tán
xạ theo hướng khác. Nói cách khác, dòng điện không gặp sự cản trở. Tuy nhiên,
trong mạng tuần hoàn của tinh thể tồn tại các khuyết tật làm tán xạ sóng điện từ và
do đó sinh ra điện trở. Hơn nữa còn hai hiệu ứng gây ra điện trở: là sự phá vỡ cấu
trúc hoàn hảo của mạng tinh thể do tạp chất và dao động nhiệt. 6 lOMoARcPSD|46958826
- Như vậy, khi hạ nhiệt độ của kim loại hay hợp kim, các dao động nhiệt của các
nguyên tử giảm xuống, đồng thời sóng điện từ tán xạ với tần số ít hơn. 4. Điện trở không -
Không thể chứng minh được bằng thực nghiệm điện trở trong thực tế bằng 0 vì điện
trở trong chất siêu dẫn có thể nhỏ hơn độ nhạy của các thiết bị đo. Khi đó, cho dòng
điện chạy xung quanh một xuyến siêu dẫn khép kín, ta nhận thấy dòng điện gần
như không suy giảm sau một 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 hơn t ≠ 0, cường độ dòng điện chạy qua xuyến theo công thức: (− ) I(t) = I(0) -
Ở đây R là điện trở của xuyến. Chúng ta có thể đo từ trường tạo ra dòng điện bao
quanh xuyến. Phép đo từ trường không lấy năng lượng từ mạch điện mà vẫn cho ta
khả năng quan theo thời gian và có thể xác định được điện trở
sátdòngđiệnchuyểndịchkhôngthayđổi
của kim loại siêu dẫn cỡ nhỏ hơn 10-26 m. Giá trị này thoả mãn kết luận điện trở của kim loại bằng 0.
II. Vật liệu siêu dẫn:
1. Quá trình phát hiện và phát triển của vật liệu siêu dẫn 1.1 Phát hiện
• Năm 1911, nhà vật lí người Hà Lan– Heike Kamerlingh Onnes đã 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. Khi nhiệt độ thấp, điện trở thủy ngân
không phụ thuộc vào nhiệt độ nữa, chỉ phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu tiếp tục
hạ nhiệt độ xuống tới Tc = -269oC (4,1oK), điện trở đột ngột hạ xuống 0 một cách
nhảy vọt. Hiện tượng nói trên gọi là hiện tượng siêu dẫn, và Tc là nhiệt độ tới hạn.
• 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, việc ứng dụng tính siêu dẫn
lên các kim loại thuần khiết như chì, thiếc… lại cho từ trường rất nhỏ. 1.2 Phát triển
• 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 7 lOMoARcPSD|46958826
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.
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 nhiệt độ thấp.
Đến tháng 1/1986 tại Zurich, hai nhà khoa học Alex Muller và Georg Bednorz
tình cờ phát hiện ra một chất gốm mà các yếu tố cấu thành là: Lantan, Đồng,
Bari, Oxit kim loại. Chất gốm này trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ 35 độ K.
Một thời gian ngắn sau, các nhà khoa học Mỹ lại phát hiện ra những chất gốm tạo
thành chất siêu dẫn ở nhiệt độ tới 98 độ K. Điều quan trọng là chúng làm lạnh bằng
Nitơ hoá lỏng. Đó là một thứ rẻ tiền và dễ thao tác hơn so với Heli lỏng. Người ta
gọi đó là những chất siêu dẫn mới. Kết quả này kích thích các nhà khoa học đua
nhau đi tìm chất gốm có đặc tính siêu dẫn ở nhiệt độ K ngày càng cao để mang lại
sự thuận tiện và đỡ tốn kém khi ứng dụng siêu dẫn vào đời sống...
• Cho đến nay, nhiệt độ cao nhất có thể đạt được với một chất gốm siêu dẫn mới là
125 độ K. Nhưng thực tế cho thấy, những chất gốm được tạo thành siêu dẫn ở nhiệt
độ độ cao hơn 100 độ K lại tỏ ra không được ổn định vì nó nhanh chóng mất đi tính siêu
dẫn. Đây là một trong những trở ngại lớn trên con đường chinh phục siêu dẫn. Sự phá huỷ
đặc tính siêu dẫn khi ảnh hưởng bởi từ trường mạnh được giải thích như sau: Đó là do
"vòng xoáy từ" (tức là những đường từ tính chuyển động bên trong chất liệu, như những
xoáy nước đi trong dòng nước), những xoáy này di chuyển, tạo ra những
điện trường ngăn chặn dòng điện di chuyển tự do, vì thế sinh ra mất tính siêu dẫn
của vật liệu.
• Gần đây, các nhà khoa học Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg (Người Nga) và
Anthony Leggett (người Mỹ gốc Anh) đã đóng góp nhiều vào lĩnh vực lý thuyết
siêu dẫn và mở ra nhiều hướng ứng dụng với công nghệ cao trong các lĩnh vực
máy tính, truyền tải điện năng siêu hiệu quả... Những thành quả của họ được
đánh giá là chất siêu dẫn thế hệ 2 và ba nhà khoa học đã được nhận giải Nobel
về vạt lý vào năm 2003.
• Nói về vật liệu siêu dẫn mới, ta không thể không đề cập tới thành công mới đây của
người Nhật, đó là, các nhà khoa học thuộc Trường đại học Aoyama - Gakuin ở Tokyo 8 lOMoARcPSD|46958826
đã tìm ra vật liệu siêu dẫn từ phi kim loại như Magie (Mg), hoặc Bo (B)... Điều
làm cho nó trở nên rẻ tiền nữa là chất siêu dẫn trên chỉ làm việc ở nhiệt độ -133 độ
C. Nghĩa là còn ưu việt hơn cả Keramik của người Mỹ. Thành công này rất đáng
trân trọng, bởi nó mở ra tìm chất bán dẫn từ phi kim loại là những vật liệu rẻ tiền,
mà nhiệt độ để tạo thành chất siêu dẫn có thể chấp nhận được.
• Mới đây nhất, năm 2015, giới khoa học phát hiện một loại chất siêu dẫn nhiệt độ
cao mới, đó là một tấm sắt selenide chỉ dày bằng một lớp nguyên tử có khả năng
siêu dẫn ở65độK.
• Ở nước ta, nghiên cứu về siêu dẫn 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 hiện trong khoảng gần
hai chục năm qua (tác giả bài viết này 15 năm trước đây đã đến thăm phòng thí nghiệm
trên). Các nhà khoa học của chúng ta làm lạnh bằng Nitơ lỏng và đã tạo ra
được một số vật liệu siêu dẫn thuộc loại rẻ tiền. Tuy nhiên, do chưa có thị trường,
hay đúng hơn là tiềm năng tài chính của đất nước còn hạn hẹp, nên lĩnh vực
công nghệ cao này của ta chưa thể tiến xa được.
• Sau đây là bảng thống kê một số chất siêu dẫn điển hình đã được phát hiện theo thời gian:
Nhiệt độ chuyển pha siêu Tên vật liệu Năm phát hiện dẫn (TC) [K] Hg 4.2 1911 Pb 7.2 1913 Nb 9.2 1930 Nb3Sn 18,1 1954 Nb3(Al0.75Ge0.25) 20-21 1966 Nb3Ga 30.3 1971 Nb3Ge 23.2-23.9 1973 BaPb1-xBixO3 13 1974 La1—xCaxMnO3-Ba-Cu-O 30-40 1986 Y(Re)-Ba-Cu-O 80-90 1987 9 lOMoARcPSD|46958826 Bi-Sr-Ca-Cu-O 110-120 1988 TI-Ba-Ca-Cu-O 115-125 1988 KxC50 18-30 1991 Hg-Ba-Ca-Cu-O 90-161 1993 (NH3)4Na2CsC60 33 1994 Y-Pd-B-C 23 1994 Ln(Re)-Ni-B-C 13-17 1994 (Ca,Na)2CaCu2O4Cl2 49 1995 Ba-Ca-Cu-O 126 1996 Li2BeH4 1997 Bi-Ba-Ca-CuO 126-130 1997 (CuTI)Ba2Can-1CunO2n+4-y 121 1998 MgB 39 2000 2. Tính chất từ
2.1 Tính nghịch từ của vật dẫn lý tưởng
- Giả thiết rằng: mẫu vật kim loại được làm lạnh xuống dưới nhiệt
độ chuyển pha của nó và trở thành vật dẫn hoàn hảo. Điện trở
vòng quanh đoạn đường khép kín tưởng tượng bên trong kim
loại bằng 0. Do đó tổng từ thông bao quanh vật là không đổi.
Trường hợp này chỉ đúng khi mật độ từ thông của các điểm bên trong kim loại không ⃗⃗⃗⃗⃗
thay đổi theo thời gian: ⃗ = 0) = 0 (
- Đó là sự phân bố từ thông trong kim loại cần phải được duy trì giống như trước
khi kim loại mất điện trở.
- Giả sử rằng mẫu kim loại bị mất điện trở khi không có từ trường 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 trường đặt vào. Trong thực tế, từ trường có tác dụng nên mẫu siêu dẫn gây ta
dòng điện 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 ngoài. Vì 10 lOMoARcPSD|46958826
các dòng này không biến mất, nên mật 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 mặt
này thông thường được gọi là các dòng chắn.
- Mật độ từ thông tạo nên do những dòng mặt dư không biến mất ở biên mẫu tạo
nên, mà các đường từ thông tạo thành các đường cong khép kín liên tục vòng qua
không gian bên ngoài mẫu kim loại, mặc dù mật độ từ thông này ở mọi nơi bên
trong kim loại bằng nhau, và ngược với từ thông do từ trường ngoài sinh ra.
- Xét trong một trình tự khác cho việc làm lạnh đối với vật liệu không có điện trở. Cho
rằng từ trường Ba được đặt vào khi mẫu 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 này
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 mật độ từ thông bên trong kim loại có độ dẫn lý tưởng không
thể thay đổi và dòng bề mặt sẽ xuất hiện để duy trì từ thông bên trong nó.
- Qua đó, ta thấy trạng thái từ hóa của vật dẫn vật lý tưởng không xác định chỉ bằng các
điều kiện ngoài, mà nó còn phụ thuộc vào chuỗi các điều kiện tại vị trí đang tồn tại.
2.2 Vật siêu dẫn không lý tưởng -
Trong thực tế, khó tồn tại các mẫu hoàn hảo như vậy nhưng vẫn có thể chế tạo được
sao cho chúng thể hiện 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 là hoàn toàn thuận nghịch. Có thể thấy
rằng độ từ hóa là không thuận nghịch khi từ trường tăng và giảm, các đường cong từ
hóa biểu hiện khác nhau. Ở đây xuất hiện hiện tượng từ trễ. Khi từ trường 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 giới hạn khác nhau (HC1, HC2 và HC3).
+ Có đường cong từ trường trễ.
+ Có từ thông bị hãm. -
Các biểu hiện này không cần thiết phải cùng xuất hiện. Các sai hỏng bao gồm
một số lớn các nguyên tử như là hạt của vật thể khác hoặc những sai hỏng
mạng, có khả năng làm tăng tính từ trễ và bẫy từ thông. Các nguyên tử tạp
chất và sự phân bố không đồng đều trong thành phần của mẫu cũng làm giảm
độ sắc nét từ trường tới hạn trong các mẫu không lý tưởng. 11 lOMoARcPSD|46958826
2.3 Hiệu ứng Meissner -
Một vật dẫn lý tưởng có thể có điện trở 0 ở nhiệt độ tuyệt đối (0 K). Tuy nhiên,
nó không phải là chất siêu dẫn. Người ta thấy rằng biểu hiện tính chất của từ
trường khi có khác với vật dẫn lý tưởng. -
Meissner và Ochsenfied phát hiện vào năm 1933 rằng: Nếu chất siêu dẫn 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 dẫn. Có nghĩa là chất siêu dẫn nằm trong từ
trường ngoài Ha còn cảm ứng từ trong mẫu B = 0 gọi là hiện tượng Meissner. Tức
là siêu dẫn biểu hiện như một chất nghịch từ trường lý tưởng. −1
- Hệ số từ hóa của chất siêu dẫn trong hệ (CGS) sẽ là: = = 4 - Hoặc trong hệ SI: - = =−1 H = Ha + M = 0
cơ bản của chất siêu dẫn. Đặc trưng hệ số từ hóa -
Hiệu ứng Meissner là tính chất từ đặc 1
đã nói lên siêu dẫn là chất nghịch từ lý tưởng và điện trở không (ρ = 0) cũng là χ=
trưng về tính chất điện của chất siêu dẫn.
- Xem xét hai đặc trưng cơ bản này:
+ Từ phương trình điện động lực học thì định luật Ohm được biểu diễn trong điện trường▪ E⃗ theo= mật∗ độ dòng j
và điện trở suất ρ:
+ Trong trạng⃗ =thái0 (∗)siêu dẫn ρ = 0 và j là đại lượng hữu hạn trên: ▪
+ Theo phương trình Maxwell: các đường cảm ứng từ B được biểu diễn: = − • ⃗⃗⃗⃗⃗
và từ (*), ta có ⃗⃗⃗⃗⃗ = 0 -
Như vậy, các đường cảm ứng từ B phải là một hằng số: B=const (**) -
Khi ρ = 0 thì B=const. Nghĩa là phương trình (**) vẫn đúng khi chất siêu dẫn hạ xuống nhiệt độ dưới TC. 12 lOMoARcPSD|46958826 -
Vậy nên, hiệu ứng Meissner cho biết cảm ứng từ B trong lòng chất siêu dẫn bằng 0 là hiệu ứng thực nghiệm quan sát được. Về mặt lý thuyết xét ở đây chỉ là chấp nhận
B=const=0 theo thực nghiệm. ➢
Từ các dẫn chứng trên đây đã đưa đến kết luận là: Trạng thái siêu dẫn có điện trở không χ= và hiệu ứng Meissner biểu hiện rằng, chất
siêu dẫn là một nghịch từ lý tưởng ( -1). Hai tính chất độc lập này mang đặc trưng cơ bản riêng biệt nhưng đều đồng thời là tiêu chuẩn
quan trọng để xét một chất có phải là siêu dẫn hay không.
2.4 Khái niệm dòng tới hạn và từ trường tới hạn -
Một vật đang ở trong trạng thái siêu dẫn, nếu ta tăng dần từ trường đến một giá trị (Hc) xác
định có thể làm mất trạng thái siêu dẫn. Nghĩa là, dưới tác dụng của từ trường đã làm cho
trạng thái siêu dẫn chuyển sang trạng thái thường. Giá trị xác định của từ trường (H c) được
gọi là từ trường tới hạn hoặc từ trường tới hạn nhiệt động. 2
+ Từ trường tới hạn H là hàm nhiệt độ T được mô tả như: c = 0 [1−( )]
Với H0 là từ trường tại T=0 và tại T=Tc thì Hc (Tc)=0.
+ Đường cong H phụ thuộc T được gọi là đường cong ngưỡng, là ranh giới c
phân chia giữa trạng thái siêu dẫn và trạng thái bình thường. -
Dòng cực đại đạt được trong trạng thái siêu dẫn được gọi là dòng tới hạn. Hay nói
cách khác dòng tới hạn trong trạng thái siêu dẫn là dòng điện lớn nhất khi điện trở
cùa chất siêu dẫn xem như bằng không. Dòng tới hạn dược ký hiệu là Ic. -
Năm 1916, Silsbee 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 phải do bản thân dòng lớn
I gây ra mà chính là từ trường do dòng I sinh ra trong dây dẫn đã phá vỡ trạng thái
siêu dẫn. Điều này có bản chất giống như hiệu ứng Meissner đã được xét ở mục trước. -
Thực nghiệm cho thấy rằng, nếu dây siêu dẫn tròn có đường kính a, dòng trong dây =tới2 hạn và các đại lượng I và a sẽ
là:siêudẫnlàI>Icthìmốiquanhệgiữatừtrường
Công thức này chỉ đúng cho một số chất siêu dẫn nhất định, chủ yếu là các
chất siêu dẫn đơn kim loại (còn gọi là chất siêu dẫn lý tưởng). Các chất siêu dẫn là
hợp chất, hợp kim hoặc chất siêu dẫn có tạp chất đều không thỏa mãn hệ thức
Silsbee. (Các chất siêu dẫn loại này còn gọi là chất siêu dẫn không lý tưởng). -
Ngoài khái niệm dòng tới hạn (Ic) thông thường, người ta còn dùng khái niệm mật độ
dòng tới hạn (Jc) để thay khái niệm dòng tới hạn. Đó là giá trị dòng tới hạn Ic trên một 13 lOMoARcPSD|46958826
đơn vị diện tích bề mặt vật dẫn (A/cm2), giá trị Jc phụ thuộc rất mạnh vào từ
trường và đường kính của dây siêu dẫn. 3. Tính chất nhiệt
3.1 Sự lan truyền nhiệt trong chất siêu dẫn -
Xét đến quá trình điện trờ hoàn trở lại với dây dẫn khi dòng điện chạy qua
trong dây siêu dẫn vượt qua dòng tới hạn. -
Giả thuyết dây dẫn hình trụ. Trong quá trình thực tế, không thể có dây dẫn nào
mà toàn bộ chiều dài của nó, tất cả nguyên tố dây dẫn có tính chất đồng tính.
Bởi vì những thay đổi nhỏ về thành phần, về độ dày… có thể xuất hiện hoặc là
nhiệt độ ở một số nơi trong dây dẫn cao hơn những nơi khác. Chính vì thế mà
giá trị dòng tới hạn sẽ thay đổi từ điểm này sang điểm khác và sẽ xuất hiện một
vài điểm trên dây dẫn có dòng điện tới hạn thấp hơn những nơi khác. -
Giả thiết dòng điện chạy dọc theo dây dẫn và độ lớn của nó tăng cho đến khi vượt qua
dòng tới hạn iC tại tiết diện M. Do tiết diện nhỏ nên M sẽ trở thành vật cản dòng điện
trong khi các phần khác của dây dẫn vẫn duy trì dòng siêu dẫn. Điều này khiến tại
điểm M sẽ có một điện trở nhỏ r và khiến dòng điện i xuyên suốt vật liệu đã có điện trở
và đồng thời tại đây nhiệt lượng được sinh ra. Nhiệt lượng ấy sẽ tỉ lệ với i2r và nhiệt độ
tại M sẽ tăng lên rồi xuất hiện dòng nhiệt từ M dọc theo kim loại và đi vào môi trường
xung quanh. Dòng nhiệt này sẽ phụ thuộc vào những yếu tố sau:
+ Nhiệt độ tăng lên ở M.
+ Độ dẫn nhiệt của kim loại.
+ Nhiệt lượng bị mất thông qua bề mặt dây dẫn. -
Nhiệt độ tại M sẽ tăng lên cho đến khi tỉ số dòng nhiệt truyền từ M bằng i tại 2r
nơi mà nhiệt sinh ra:
+ Nếu tỉ số nhiệt sinh ra thấp thì nhiệt độ tại M chỉ tăng lên một lượng nhỏ,
trong trường hợp này dòng siêu dẫn vẫn sẽ được duy trì.
+ Nếu tỉ số nhiệt sinh ra lớn vì điện trở của M cao hoặc là do dòng i lớn, thì
nhiệt độ ở M có thể tăng lên vượt quá nhiệt độ tới hạn của dây dẫn. -
Trong thực tế sự xuất hiện dòng điện đã làm giảm nhiệt độ chuyển pha của dây siêu
dẫn từ nhiệt độ TC về nhiệt độ thấp hơn T’C. Từ đó, nếu có nhiệt độ sinh ra ở M thì các
vùng lân cận M cũng sẽ bị nung nóng lên trên nhiệt độ T’C và khiến các vùng này trở
thành vùng thường. Dòng điện i khi chạy qua các vùng thường này sẽ sinh ra nhiệt.
Nhiệt lượng lại tiếp tục đưa các vùng lân cận khác trở thành vùng thường và cứ thế
tiếp diễn. Kết quả là, mặc dù dòng điện duy trì là hằng số, nhưng vùng thường cứ thế 14 lOMoARcPSD|46958826
lan rộng mãi từ M cho đến khi toàn bộ dây dẫn trở thành trạng thái thường. Khi
đó, trong trạng thái thường, điện trở của toàn bộ dây dẫn sẽ trở lại đúng giá trị Rn. -
Nhờ vào quá trình này mà các vùng thường có thể mở rộng từ trung tâm ra đến toàn
bộ dây dẫn và quá trình đó này được gọi là sự truyền nhiệt. Quá trình này xuất hiện
nhiều hơn nếu dòng tới hạn lớn và điện trở ở trạng thái kim loại có giá trị lớn. -
Để tính toán sự truyền nhiệt, cần phải xác định được giá trị dòng tới hạn. Việc đo giá
trị dòng tới hạn của mẫu có thể gặp khó khăn, đặc biệt trong từ trường thấp hoặc là
trong từ trường bằng không, thường có giá trị dòng rất cao. Hãy xét dòng siêu dẫn có
độ dày đồng nhất và giả thiết rằng dòng tới hạn được đo bằng cách tăng dòng điện
chạy trong dây siêu dẫn cho đến khi quan sát được hiệu điện thế. Nếu dòng điện bé
hơn dòng tới hạn, thì không có sự sụt thế dọc theo mẫu và cũng không có nhiệt sinh
ra trong mẫu. Tuy nhiên, các dây dẫn mang dòng điện tới mẫu thường là kim loại
không siêu dẫn. Như vậy, nhiệt sẽ sinh ra trong các dây dẫn đó do dòng điện chạy
qua. Kết quả là các phần cuối của mẫu tiếp xúc với dây dẫn sẽ nóng lên chút ít và
tại đó dòng tới hạn sẽ thấp hơn so với phần thân của mẫu. Do dòng điện tăng lên,
các phần cuối của mẫu chuyển thành vùng thường tại nơi mà dòng điện nhỏ hơn so
với dòng tới hạn của mẫu. Các vùng thường tiếp tục lan rộng ra toàn bộ dây dẫn
nhờ sự truyền nhiệt. Cuối cùng ta quan sát được hiệu điện thế ở mọi nơi có dòng
điện nhỏ hơn dòng tới hạn thực. Để làm giảm khả năng truyền nhiệt tới các điểm
tiếp xúc, ta cần sử dụng dây dẫn dày sao cho nhiệt sinh ra tại điểm tiếp xúc là nhỏ
hoặc không đáng kể. Như vậy có thể đo điểm tới hạn của tiết diện mong muốn
trước khi có sự truyền nhiệt bắt đầu từ các điểm tiếp xúc. -
Đặc trưng cho sự trở lại của điện trở do sự truyền nhiệt là sự xuất hiện hoàn toàn của
điện trở thường, ngay lập tức khi dòng điện xác định vượt quá dòng tới hạn. Kết quả
là, vùng thường lan rộng chiếm suốt toàn mẫu và trạng thái siêu dẫn bị phá vỡ.
3.2 Nhiệt dung của chất siêu dẫn:
- Một số nghiên cứu về nhiệt dung và độ dẫn nhiệt đã đưa ra kết quả trùng hợp
giữa lý thuyết và thực nghiệm. -
Nhiệt dung của một chất thường bao gồm sự đóng góp của mạng (phonon) và của điện
tử. Nó được biểu diễn theo công= thức+sau: = 3 + (1)
- Thông thường ở nhiệt độ dưới nhiệt độ chuyển pha, nhiệt dung của kim loại
siêu dẫn là rất nhỏ, nhỏ hơn hơn cả nhiệt dung của kim loại ở nhiệt độ thường. -
Thực nghiệm cho thấy rằng tại điểm chuyển pha từ trạng thái thường sang trạng thái
siêu dẫn, nhiệt dung có bước nhảy. Mặt khác, các giá trị đo được của nhiệt dung mạng
cho thấy ở cả hai trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường, phần nhiệt dung của mạng 15 lOMoARcPSD|46958826
βT3 là không đổi. Như vậy trong công thức (1) sự thay đổi nhiệt dung toàn phần ở
trạng thái siêu dẫn chỉ do sự đóng góp của nhiệt dung điện tử (ًγT). Nhưng rất khó xác
định chính xác giá trị nhiệt dung của các chất siêu dẫn bằng phương pháp thực
nghiệm, bởi vì ở nhiệt độ thấp giá trị nhiệt dung rất nhỏ. Tuy nhiên, một số thiết bị đo
chính xác ở nhiệt độ thấp đã chứnh minh được rằng ở trạnh thái dưới nhiệt độ chuyển
pha (T ), nhiệt dung điện tử của kim loại trong trạng thái siêu dẫn thay đổi theo nhiệt độ theo quy luật sau: = . . − -
Ở đây a và b là các hằng số. Sự thay đổi theo hàm e mũ cho thấy rằng, nhiệt độ đã
làm tăng các điện tử bị kích thích vượt qua khe năng lượng ở trên trên thái cơ bản
của chúng. Số điện tử bị kích thích vượt qua khe cũng sẽ thay đổi bằng hàm e mũ
theo nhiệt độ (vấn đề này đã được lý thuyết BCS xác nhận mà ta sẽ xét ở 28 phần
sau). Điều này cũng chứng tỏ trong trạng thái siêu dẫn có sự tồ tại của các khe
năng lượng và đó chính là một đặc trưng cơ bản của trạng thái siêu dẫn. -
Lần đầu tiên Keesom và Bok đưa ra rằng: khi không có từ trường ngoài tác
dụng, khi có sự chuyển pha siêu dẫn thì nhiệt dung điện tử (ًγT) cũna dạng gồm
hai phần và có đặc trưng riêng.
+ Tại điểm chuyển pha T = TC, bước( )nhảy≈của3 nhiệt dung có giá trị là:
+ Tại T < Tc nhiệt dung siêu dẫn giảm mạnh và không tuyến tính cho đến 0.
- Ở nhiệt độ chuyển pha, entropy của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường là
như nhau. Nói cách khác, tại điểm chuyển pha, entropy của hệ không thay đổi
và do đó nó không có ẩn nhiệt Latent. Trong trường hợp có từ trường tác dụng
(H ≠0), nếu mẫu chuyển pha trong vùng T ≤ TC thì quá trình chuyển pha có
kèm theo ẩn nhiệt và khi đó sẽ là chuyển pha loại I.
- Sự tăng, giảm entropy trong quá trình chuyển pha siêu dẫn có liên quan trực
tiếp đến nhiệt dung.
3.3 Độ dẫn nhiệt của chất siêu dẫn
- Độ dẫn nhiệt (k) của kim loại là một vấn đề phức tạp. Đây là bài toán về các quá
trình không cân bằng với các thành phần đa dạng. -
Ta biết rằng, năng lượng nhiệt được truyền trong kim loại bằng cả điện tử và photon.
Quá trình truyền nhiệt là quá trình truyền nhiệt va chạm của từng hạt tải với chính
loại đó, với các loại hạt tải khác, với các sai hỏng mạng và các biên hạt. Cơ chế này phụ 16 lOMoARcPSD|46958826
thuộc nhiệt độ, nồng độ, tạp chất vá kích thước mẫu. Ở trạng thái siêu dẫn còn phụ
thuộc cả vào từ trường và các xoáy từ. Vì vậy, khó có thể làm sáng tỏ mọi sự đóng góp
vào độ dẫn nhiệt của vật trong trạng thái siêu dẫn, mà chỉ có thể xác định được những
thành phần tương đối đơn giản và để phân tích trong quá trình thực nghiệm. -
Các kết quả thực nghiệm cho rằng: Thông thường độ dẫn nhiệt (k) trong trạng thái
siêu dẫn thấp hơn nhiều so với trạng thái thường. Trạng thái siêu dẫn, độ dẫn nhiệt
của vật liệu (kSD) giảm mạnh trong vùng nhiệt độ T < Tc. Về mặt định lượng, có thể
giả định mô hình hai chất lỏng. Bản chất của nó là: Khi nhiệt độ giảm, nồng độ của
chất siêu chảy điện tử tăng lên (electron superfluid). Chất siêu chảy điện tử trong
Heli lỏng không mang năng lượng cho nên độ dẫn nhiệt bị giảm xuống theo nhiệt độ.
Trong nhiều chất siêu dẫn khi T < Tc độ dẫn nhiệt giảm xuống xấp xỉ hoặc bằng 0. -
Như vậy, có thể cho rằng các điện tử siêu dẫn không đóng vai trò trong sự dẫn
nhiệt. Tính chất này không được áp dụng để chế tạo các công tắc nhiệt siêu dẫn
trong kĩ thuật nhiệt độ thấp. -
Trong một số hợp kim hoặc hợp chất siêu dẫn, người ta còn quan sát thấy độ
dẫn nhiệt tăng tại vùng chuyển pha, sau đó mới giảm theo nhiệt độ. Hiện tượng
này được Hulm giải thích là: Trong siêu dẫn loại II, quá trình chuyển pha siêu
dẫn đã có sự tán xạ nhẹ của các sóng phonon lên các điện tử làm tăng бSD (độ
dẫn nhiệt). Các sóng này mất dần theo sự giảm nhiệt trong trạng thái siêu dẫn.
3.4 Hiệu ứng đồng vị
- Kinh nghiêm cho thấy rằng nhiệt độ tới hạn của các chất siêu dẫn (TC) thay đổi theo
khối lượng đồng vị. Maxwell, Regnols và các đồng nghiệp lần đầu tiên đã tiến hành thí
nghiệm chứng minh vấn đề này. Một số kết quả đã đươc kiểm định trên các đồng vị của
Pb và Hg, nhiệt độ chuyển pha (TC) thay đổi theo khối lượng đồng vị như:
O TC = 4,185 K khi khối lượng đồng vị M là 199,5 và TC = 4,146 K khi M là 203,4. 1
- Các kết quả thực nghiệm thu đươc thỏa mãn hệ thức sau: = ớ = 2 -
Trong một dãy đồng vị, tỷ lệ giữa nhiệt dộ tới hạn (TC) và niệt độ Debye (θD) là một hằngsố: Ө =
- Một số giá trị thực nghiệm xác định α được ghi trong bảng: Vật liệu α Vật liệu α 17
Downloaded by Pham Huyen (21073258@vnu.edu.vn) lOMoARcPSD|46958826 ± ±0.05 Zu 0.45 0.05 Ru 0.00 Cd 0.32 0.07 Os 0.15 0.05 ± ± Su 0.47 0.02 Mo 0.33 0.00 ± ± Hg 0.50 0.03 Nb3Su 0.08 0.02 ± ± Pb 0.49 ±0.02 Zr 0.00± 0.05
- Từ sự phụ thuộc của nhiệt độ TC vào khối lượng đồng vị cho thấy rằng tác dụng
quan trọng của các dao động mạng đến chất siêu dẫn và do đó các tương tác
điện tử và mạng cũng rất quan trọng trong trạng thái siêu dẫn. Đây là một phát
minh cơ bản. Bản chất của hiệu ứng đồng vị là: nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn TC
phụ thuộc vào số nơtron trong hạt nhân.
3.5 Các hiệu ứng nhiệt điện
Cả lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy các hiệu ứng nhiệt điện không suất -
hiện trong chất siêu dẫn.
Tuy nhiên các hiệu ứng nhiệt có thể xuất hiện trong một số chất siêu dẫn loại II. -
III. Các lý thuyết liên quan về siêu dẫn
1. Entropi của trạng thái siêu dẫn và trạng thái thường -
Ta có thể tính hiệu entropi của trạng thài siêu dẫn và trạng thái thường bằng thuyết nhiệt động lực học, và có kết quả trong −từ1trường không đổi là: ∆ = − =4 . -
Từ trường tới hạn luôn giảm khi nhiệt độ tăng nên dHCdT luôn luôn âm, nghĩa là vế bên phải của phương trình trên luôn dương.
Như vậy ∆S > 0 nghĩa là entropi của trạng thái siêu dẫn nhỏ hơn trạng thái -
thường. như vậy bằng lý thuyết nhiệt động học ta đẽ tìm ra tính chất giảm
entropi của trạng thái siêu dẫn đã quan sát được bằng thực nghiệm.
2. Sự xâm nhập của từ trường vào chất siêu dẫn
Khi giải thích hiệu ứng Meissner khi từ thông bị đẩy khỏi chất siêu dẫn (B=0), -
người ta cần giả định chất siêu dẫn là nghịch từ lý tưởng. Giả định này chỉ đúng
cho các chất siêu dẫn lý tưởng (siêu dẫn loại I) vì nó không tính đến vấn đề từ
thông có thể thấm sâu vào các vật liệu trong siêu dẫn loại II. 18