Hiện tượng siêu dẫn là nội dung khá quan trọng trong môn Vật Lý 11. Nếu không nắm rõ khái niệm, tính chất và ứng dụng thì sẽ không làm bài được. vậy hiện tượng siêu dẫn là gì?. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết về hiện tượng vật lý này qua những thông tin trong bài nhé.
Nội dung chính
Hiện tượng siêu dẫn là gì?
Hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng vật lý xảy ra ở một số loại vật liệu ở mức nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ. Hiện tượng này có đặc trưng là điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm về từ trường (theo hiệu ứng Meissner).
Tìm hiểu về hiện tượng siêu dẫn
Nói cách khác thì siêu dẫn chính là một hiện tượng lượng từ. Trạng thái này là hoàn toàn khác so với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong các vật lý cổ điển, ví dụ như thủy động lực học.
Đối với các chất siêu dẫn thông thường, hiện tượng siêu dẫn sẽ được tạo ra bằng cách tạo lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó phát sinh từ việc trao đổi phonon.
Điều này sẽ làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn có biểu hiện pha siêu lỏng được tạo ra từ cặp electron tương quan. Bên cạnh đó, nó còn tồn tại thêm một lớp các vật chất được biết đến như là một chất siêu dẫn khác thường và phô bày ra tính chất của hiện tượng siêu dẫn. Nhưng tính chất vật dẫn lại trái ngược hoàn toàn với lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần.
Với chất siêu dẫn ở mức nhiệt độ cao thường có tính siêu dẫn khi nhiệt độ cao hơn lý thuyết thường biết (nhưng vẫn sẽ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng). Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có lý thuyết nào hoàn chỉnh nói về chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao.
Ví dụ về hiện tượng siêu dẫn
Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại cũng bị giảm liên tục. Đến gần 0oK thì điện trở của kim loại đều rất bé. Một số kim loại và hợp kim có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ giới hạn Tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống còn bằng 0. Khi đó, vật liệu này đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Chẳng hạn như:
– Nhôm có nhiệt độ giới hạn Tc = 1,19
– Thủy ngân có nhiệt độ giới hạn Tc = 4,15
– Kẽm có nhiệt độ giới hạn Tc = 0,85
Lịch sử tìm ra vật siêu dẫn
Sau khi đã hiểu rõ hiện tượng siêu dẫn là gì Vật lý 11 ở bên trên, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết về lịch sử hình thành vật liệu siêu dẫn ở bên dưới đây.
Năm 1911, trong một lần thực hiện thí nghiệm nghiên cứu cùng với thủy ngân, nhà vật lý Hà Lan – Heike Kamerlingh Onnes đã vô tình phát hiện được thuỷ ngân sẽ có điện trở bằng không khi ở nhiệt độ -269°C. Lúc này ông đã gọi đó là tính siêu dẫn.
Heike Kamerlingh Onnes – Người khám phá ra hiện tượng siêu dẫn
Việc tìm được một hiện tượng mới lạ như này đã mở ra các khám phá quan trọng khác trong ngành khoa học kỹ thuật. Các nhà khoa học đã bắt đầu sử dụng chất siêu dẫn để chế tạo ra những vật chất có từ tính mạnh nhằm mục đích phục vụ cho những lĩnh vực khoa học kỹ thuật và sản xuất khác nhau trong đời sống. Tuy nhiên “đời lại không như là mơ”, việc ứng dụng tính siêu dẫn lên những kim loại thuần khiết như chì, thiếc,… lại cho lực từ trường rất nhỏ.
Đến những năm 30 của thế kỷ XX, sau nhiều năm nghiên cứu không ngừng nghỉ, các nhà khoa học cũng đã tìm ra được một loại nguyên tố mới khi cho vào các kim loại thuần khiết sẽ giúp tạo được một loại hợp kim mà ở đó cường độ dòng điện và cường độ từ trường đã được tăng lên rất nhiều.
Năm 1930, các nhà khoa học của Liên Xô đã bắt tay vào chế tạo hợp kim siêu dẫn có giới hạn từ trường đạt 2 tesla. Hai hợp kim siêu dẫn này có tên gọi là hợp kim niobi – ziriconi và hợp kim vanđi – gali. Ngoài ra, còn có một số loại oxit kim loại kiểu cấu trúc A – 15.
Ưu điểm của các vật siêu dẫn ở giai đoạn này chính là không có điện trở. Nhờ đó, chúng vừa có thể làm giảm tĩnh điện, không gây ra những tổn thất về nhiệt, vừa có thể tích nhỏ và công suất lớn.
Hợp kim niobi – ziriconi có mức từ trường đạt 2 tesla
Vào những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo ra loại vật liệu siêu dẫn có từ trường đạt đến tận 10 tesla. Từ đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi cần công nghệ kỹ thuật cao như cộng hưởng từ hạt nhân, buồng bọt, máy gia tốc, máy phát điện,…
Thế nhưng, nhược điểm của vật liệu siêu dẫn này là chỉ hoạt động hiệu quả khi ở điều kiện nhiệt độ rất thấp. Điều này khiến cho các kỹ sư phải đối mặt với nhiều thách thức như tốn nhiều chi phí hơn để tạo nên môi trường có nhiệt độ thấp
Giai đoạn năm 1957, các nhà khoa học đã đưa ra lý thuyết BCS nhằm giải thích cho hiện tượng siêu dẫn. Theo đó, lý thuyết BCS đã cho rằng lý do dẫn đến hiện tượng siêu dẫn chính là do khi ở môi trường nhiệt độ cực thấp, các điện tử tự do bên trong chất siêu dẫn sẽ sắp xếp nối tiếp nhau để tạo thành chuỗi dài.
Lúc này, các điện tử cũng sẽ chuyển động định hướng bên trong khiến cho chất siêu dẫn không còn lực trở của dòng điện tử. Từ đó hình thành lên dòng điện không có trở lực.
Giai đoạn năm 1986, hai kỹ sư Muller và Bainos làm việc trong công ty IBM Mỹ và Thụy Điển đã khám phá ra được oxit của các kim loại lantan, bari và đồng đều có tính siêu dẫn ở nhiệt độ tương đối cao ngay cả khi ở trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chính những nghiên cứu này đã nhen nhóm thêm một tia hy vọng về tương lai của việc ứng dụng các vật liệu siêu dẫn vào trong sản xuất và đời sống.
Đến nay, đã có không ít các nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới triển khai nghiên cứu cách để nâng cao giới hạn nhiệt độ siêu dẫn. Tiêu biểu trong số đó chính là nhà khoa học mang quốc tịch Mỹ gốc Hoa – Chu Kinh Hoà và nhà khoa học Trung Quốc tên Triệu Trung Hiền.
Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn trong thực tế
Qua những thông tin bên trên, chắc chắn các bạn đã hiểu rõ khái niệm hiện tượng siêu dẫn là gì và lịch sử ra đời của vật siêu dẫn. Sau nghiên cứu, hiện tượng siêu dẫn được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực. Cụ thể như sau:
Hiện tượng siêu dẫn được ứng dụng để làm máy gia tốc hạt
– Giúp truyền tải điện năng tốt.
– Giúp đoàn tàu có thể hoạt động êm ái trên đệm từ.
– Tạo ra máy gia tốc mạnh.
– Máy đo điện trường có kết quả siêu chuẩn xác.
– Dụng cụ để ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc.
– Máy quét MRI dùng trong y học.
Hy vọng bài viết này mang đến những thông tin hữu ích để các bạn có thể hiểu rõ hiện tượng siêu dẫn là gì? Ứng dụng của siêu dẫn để làm bài tập và nghiên cứu đạt kết quả tốt nhất. Nếu có vấn đề gì cần giải đáp thêm về nội dung của bài viết, các bạn hãy bình luận ở bên dưới nhé.
