Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 5 - Phạm Thành Chung

Bài giảng "Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 5 - Phạm Thành Chung" được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên nắm được các nội dung về: Nhiệt độ tới hạn; Hiệu ứng Meissner; Phân loại vật liệu siêu dẫn; Lý thuyết BCS; Mật độ dòng điện tới hạn; Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 5 - Phạm Thành Chung Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) Giới thiệu chungHiện tượng siêu dẫn được phát hiện vào năm 1911 bởi Kamerlingh Onnes khi tiến hànhthí nghiệm nhúng thủy ngân trong He lỏng (nhiệt độ hóa lỏng 4,2oK), điện trở thủy ngân gầnnhư bằng không và được ông gọi là hiện tượng siêu dẫn (super conductivity).Sau đó Onnes còn phát hiện ra Sn và Pb cũng thể hiện tính siêu dẫn khi nhiệt độ củachúng xuống dưới các nhiệt độ tương ứng là 3,8 và 6oK, thí nghiệm do ông tiến hành khicho dòng điện chạy trong một vòng dây kín làm bằng Pb, dòng điện chạy trong đó trongvòng 1 năm.Mỗi độ K trong nhiệt giai Kenvin (1K) bằng một độ trong nhiệt giai Celsius (1 °C) và 0 °C ứng với 273,15oK 94 Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.1. Nhiệt độ tới hạn oNhiệt độ tới hạn (critical temperature) Tc là trị số mà dưới nhiệt độ đó điện trở của kim loại giảm về không. oTrị số không của điện trở ở đây chỉ có giá trị tương đối, có nghĩa là nó nằm dưới độ nhạy của thiết bị đo. Tại nhiệt độ này có sự chuyển pha đột ngột của vật liệu từ trạng thái bình thường thành siêu dẫn, khoảng nhiệt độ dẫn tới sự chuyển pha này rất nhỏ chỉ cỡ khoảng một vài mK. Phát triển của nhiệt độ tới hạn theo thời gianNhững vật liệu thể hiện tính siêu dẫn ở nhiệt độ dưới nhiệt độ hóalỏng của nitơ (77oK) được gọi là vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao(High temperature superconductor).Ngày nay những tiến bộ trong ngành vật liệu siêu dẫn đã cho phépđạt được nhiệt độ tới hạn ngày càng cao. 95 Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.2. Hiệu ứng Meissner Khi vật liệu chuyển trạng thái từ pha bình thường sang pha siêu dẫn, trường bên trong bản thân vật liệu bị đẩy ra ngoài, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Meissner. Hiện tượng từ trường bên trong vật liệu bằng không trong trường hợp này khác so với trong trường hợp vật liệu nghịch từ do ở trạng thái này điện trở của vật liệu đạt tới trị số 0. Một nam châm lơ lửng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng lạnh tới −200 °C ,thể hiện hiệu ứng MeissnerHiệu ứng Meissner khi vật liệu chuyển từ trạng thái bình thườngsang trạng thái siêu dẫn, các đường sức từ trường bị đẩy ra khỏithể tích của vật liệu khi nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn 96 Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.2. Từ trường tới hạn (Hc)Ở nhiệt độ dưới nhiệt độ tới hạn, tính siêu dẫn của vật liệu sẽ bị mất nếu nóđược đặt trong từ trường ngoài có trị số lớn hơn một trị số Hc nào đó được gọi làtừ trường tới hạn.Quan hệ giữa nhiệt độ tới hạn Tc và từ trường tới hạn Hc được biểu diễn quacông thức thực nghiệm : Trong đó Hc0 là từ trường ở nhiệt độ 0oK Tc0 là nhiệt độ tới hạn khi từ trường ngoài bằng 0. Tùy theo trị số của từ trường tới hạn mà người ta chia vật liệu siêu dẫn làm 2 loại 97 Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.3. Phân loại vật liệu siêu dẫn A. Vật liệu siêu dẫn loại 1.oLà loại vật liệu mà hiệu ứng Meissner ngừngngay lập tức khi từ trường ngoài vượt quá từtrường tới hạn.oDưới trị số từ trường này, vật liệu là siêu dẫnvới việc từ trường bên trong vật liệu bằng 0(trừ ở mép của vật liệu). Đặc tính chuyển pha của siêu dẫn loại 1 oMột số kim loại tinh khiết, chì, thủy ngân, thiếc…là những ví dụ điển hình của siêu dẫn loại 1. oTuy nhiên do trị số từ trường giới hạn nhỏ (μ0HcChương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.3. Phân loại vật liệu siêu dẫn B. Vật liệu siêu dẫn loại 2.oTrong loại vật liệu này hiệu ứng Meissner biếnmất dần dần khi từ trường ngoài vượt quá trị sốHc1, hiệu ứng Meissner chỉ biến mất hoàntoàn (đồng thời vật liệu trở về trạng tháibình thường) khi từ trường ngoài vượt quá trịsố Hc2.oGiữa hai trạng thái Hc1 và Hc2 là trạng thái hỗn Đặc tính chuyển pha củahợp (mixed state). siêu dẫn loại 2oSiêu dẫn loại 2 là các vật liệu được làm từ hợp kim.oVí dụ điển hình của siêu dẫn loại này là YBa2Cu3O7 (YBCO), Bi2CaSr2Cu2O9. 99 Chương 5. Vật liệu siêu dẫn (SC) 5.4. Lý thuyết BCSHiện tượng siêu dẫn được giải thích bởi lý thuyết do ba nhà khoahọc Mỹ: John Bardeen Leon Cooper John Schrieffer đề xướng vào năm 1957 và nhận Nobel vật lý 1972.Trong chất siêu dẫn tồn tại hai loại điện tử: Điện tử bình thường (điện tử gây ra điện trở) ...