Siêu dẫn là một trong những hiện tượng vật lý được diễn ra khá phổ biến trong đời sống của chúng ta. Để củng cố lại kiến thức về hiện tượng siêu dẫn là gì, cũng như đặc điểm, tính chất và ứng dụng của hiện tượng này, mời bạn đọc cùng tham khảo chia sẻ sau đây của chúng tôi.
Tóm tắt nội dung
Khái niệm, đặc điểm hiện tượng siêu dẫn
Hiện tượng siêu dẫn là một hiện tượng vật lý được xảy ra trong một số vật liệu nếu như nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ. Đặc trưng cơ bản của hiện tượng này là điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường.
Đây là hiện tượng lượng tử, bạn nên chú ý để tránh bị nhầm lẫn giữa trạng thái vật chất này với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển, ví dụ điển hình như thủy động lực học.
Với chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn tạo ra bởi việc tạo lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó được nảy sinh bởi việc trao đổi phonon. Điều này làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn có những biểu hiện pha siêu lỏng, từ đó tạo ra những electron tương quan.
Bên cạnh đó còn tồn tại một lớp các vật chất được biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường. Những vật chất này phô bày tính chất hiện tượng siêu dẫn với tính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần.
Nhiều nghiên cứu cho thấy còn tồn tại một vật chất siêu dẫn có tính dẫn nhiệt cao hơn so với lý thuyết và thấp hơn so với nhiệt độ thường ở trong phòng. Tuy nhiên, cho đến nay các nghiên cứu về chất siêu dẫn nhiệt độ cao vẫn chưa được hoàn chỉnh.
Ví dụ về hiện tượng siêu dẫn
Nếu như nhiệt độ giảm thì sẽ khiến cho điện trở suất của kim loại cũng bị suy giảm liên tục, khi đến gần 0oK thì điện trở của kim loại đều rất nhỏ. Với một số kim loại và hợp kim có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ giới hạn Tc thì điện trở suất còn bị đột ngột giảm xuống chỉ bằng 0. Ta nói đây là thời điểm mà vật liệu này đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn, ví dụ như:
- Nhiệt độ giới hạn của nhôm là Tc = 1,19
- Nhiệt độ giới hạn của thủy ngân là Tc = 4,15
- Nhiệt độ giới hạn của kẽm là Tc = 0,85.
Ứng dụng hiện tượng siêu dẫn
Hiện tượng siêu dẫn đảm nhiệm vai trò đặc biệt quan trọng với những ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cụ thể như:
- Ứng dụng trong việc thực hiện truyền tải điện năng
- Tham gia vào quá trình thực hiện của máy quét MRI dùng trong y học.
- Giúp tạo ra máy gia tốc mạnh
- Ứng dụng trong việc đoàn tàu chạy trên đệm từ
- Hỗ trợ máy đo điện trường đảm bảo chính xác.
- Ứng dụng trong dụng cụ ngắt mạch điện từ ở máy tính điện tử siêu tốc.
Xem thêm: Vật liệu siêu dẫn là gì? Nguyên lý, ứng dụng vật liệu siêu dẫn
Tìm hiểu về lịch sử tìm ra vật siêu dẫn
Sau khi đã hiểu rõ được về hiện tượng siêu dẫn, nội dung sau đây chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu về lịch sử hình thành của các vật liệu siêu dẫn sau đây:
Phát hiện hiện tượng siêu dẫn
Năm 1911, khi đang đi thí nghiệm nghiên cứu cùng với thủy ngân, nhà vật lý người Hà Lan – Heike Kamerlingh Onnes đã vô tình phát hiện ra thuỷ ngân có điện trở bằng 0 khi ở nhiệt độ -269°C, ông gọi hiện tượng này là siêu dẫn.
Chính điều này đã mở ra cơ hội để khám phá nhiều điều quan trọng khác trong ngành khoa học kỹ thuật. Các nhà khoa học bắt đầu dùng chất siêu dẫn để chế tạo ra vật chất có từ tính mạnh nhằm phục vụ cho lĩnh vực khoa học kỹ thuật và sản xuất trong đời sống.
Tuy nhiên, việc ứng dụng tính siêu dẫn lên kim loại thuần khiết như chì, thiếc,… cho lực từ trường khá nhỏ.
Đến những năm 30 của thế kỷ XX với nhiều nỗ lực nghiên cứu không ngừng, các nhà khoa học đã tìm được nguyên tố mới khi cho vào các kim loại thuần khiết sẽ tạo nên hợp kim với cường độ dòng điện và cường độ từ trường lớn.
Chế tạo ra hợp kim siêu dẫn
Năm 1930, các nhà khoa học của Liên Xô đã thực hiện chế tạo hợp kim siêu dẫn có giới hạn từ trường đạt 2 tesla với tên gọi là hợp kim niobi – ziriconi và hợp kim vanđi – gali. Bên cạnh đó còn có thêm một số loại oxit kim loại kiểu cấu trúc A – 15.
Ưu điểm của vật siêu dẫn trong giai đoạn này là không có điện trở nên chúng vừa có khả năng làm giảm tĩnh điện, không gây ra tổn thất nhiệt, lại vừa có thể tích nhỏ với công suất lớn.
Vào những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã chế tạo ra loại vật liệu siêu dẫn với từ trường đạt tới gần 10 tesla. Từ đây, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực yêu cầu công nghệ kỹ thuật cao như cộng hưởng từ hạt nhân, máy gia tốc, máy phát điện,…
Tuy nhiên, nhược điểm của vật liệu siêu dẫn này là chỉ hoạt động hiệu quả khi ở điều kiện nhiệt độ rất thấp. Đây chính là thách thức lớn, bởi để tạo nên được môi trường có nhiệt độ thấp sẽ phải tốn rất nhiều chi phí.
Lý thuyết BCS
Giai đoạn năm 1957, các nhà khoa học đưa ra lý thuyết BCS để giải thích cho hiện tượng siêu dẫn. Lý thuyết BCS cho rằng lý do dẫn đến hiện tượng siêu dẫn là khi ở môi trường nhiệt độ cực thấp khiến cho các điện tử tự do bên trong chất siêu dẫn sắp xếp nối tiếp nhau tạo nên 1 chuỗi dài.
Khi đó, các điện tử cũng chuyển động định hướng bên trong, vì thế mà chất siêu dẫn không còn lực trở của dòng điện tử làm hình thành nên dòng điện không có trở lực.
Năm 1986, kỹ sư Muller và Bainos làm việc trong công ty IBM Mỹ và Thụy Điển đã khám phá ra được oxit của những kim loại như lantan, bari và đồng đều mang tính siêu dẫn ở nhiệt độ khá cao ngay cả khi ở điều kiện phòng thí nghiệm. Nghiên cứu này đã nhen nhóm thêm hy vọng về tương lai của việc ứng dụng các vật liệu siêu dẫn trong sản xuất, đời sống.
Bài viết trên đã giúp bạn đọc có thể hiểu được hiện tượng siêu dẫn là gì, cũng như những thông tin cơ bản để bạn có thể hiểu hơn về hiện tượng này. Hy vọng, trong tương lai sẽ có nhiều khám phá mới về hiện tượng siêu dẫn để có thể ứng dụng vào đời sống của con người.
