Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 9 . Chất siêu dẫn

Hiểu vật lý trong 60 giây - Bài 9 . Chất siêu dẫn

Lời nói đầu .


Tạp chí Symmetry trình bày rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong Vật lý hiện đại với những ý tưởng , bài viết , công trình lý thuyết lẫn thực nghiệm của tập thể các nhà khoa học hàng đầu hiện nay trên thế giới . Chuyên mục " Hiểu biết Vật lý trong 60 giây " tổng hợp một số bài viết ngắn gọn , súc tích và đầy tính đột phá trong việc giải thích các cơ chế vật lý nhằm giúp người đọc dễ dàng tiếp cận những thông tin mới mẻ . Tác giả của những bài viết này hiện đang công tác tại các Trung tâm nghiên cứu , Viện Khoa học và các trường Đại học danh tiếng nên nguồn thông tin luôn được cập nhật thường xuyên .
 Xin trân trọng giới thiệu đến bạn đọc .




Trần hồng Cơ .
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 05/05/2014.


 ------------------------------------------------------------------------------------------- 

Chất siêu dẫn 

Minh họa: Sandbox Studio



Chất siêu dẫn là vật liệu dẫn không có trở kháng với dòng điện. . Ở nhiệt độ rất thấp, ứng xử lượng tử của chúng cho phép các electron ghép với nhau một cách nào đó để tránh những trở ngại gây kháng bình thường trong chuyển động của chúng.
Các chất siêu dẫn đầu tiên được phát hiện vào năm 1911 khi Heike Kamerlingh Onnes làm mát bằng thủy ngân xuống tới 4 độ Kelvin (-452F, -269C), nhiệt độ của chất lỏng heli. Sau đó John Bardeen, Leon Cooper và John Schrieffer phát triển một lý thuyết về phương thức hoạt động của chất siêu dẫn. Được mệnh danh là "BCS Theory" lấy từ tên cuối cùng của các nhà khoa học, lý thuyết này mô tả tính chất siêu dẫn cho các nguyên tố và các hợp kim đơn giản ở nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (0 Kelvin, -459.67F, -273.15C); Tuy nhiên, lý thuyết BCS không hoàn toàn giải thích được phương thức hoạt động của các chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn và chất liệu phức tạp hơn. Một lý thuyết tất cả bao gồm như vậy vẫn còn vượt quá tầm hiểu biết khoa học hiện đại và điều này là một trọng tâm chính của nhánh nghiên cứu vật lý hiện nay. Siêu dẫn sọc hoặc "Superstripes" đang dẫn đầu trong việc nghiên cứu tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Hình ảnh ảo giác trên là một bản tóm tắt đồ họa của một lý thuyết mô tả các chất siêu dẫn sọc.
Image courtesy of Florian Loder, University of Augsburg (2011)

Trong dây dẫn bình thường, dao động nhiệt và các tạp chất làm chệch hướng, hoặc phân tán, các electron . Quá trình này thải năng lượng bằng cách tạo ra nhiệt , ví dụ , trong cáp nhôm thép gia cố của đường dây truyền tải điện trong lưới điện. Ngay cả dây dẫn rất tốt như đồng nguyên chất cũng cản trở đáng kể dòng chảy của các electron , sinh ra  trở kháng và làm nóng dây.

Hệ thống truyền tải điện 

Thông thường, hai electron tích âm đẩy nhau. Nhưng trong chất siêu dẫn, các electron lại ứng xử khác nhau. Hai electron có thể tạo thành một cặp tạm thời khi một electron được hút vào lõi dương của một nguyên tử ngay khi một electron khác lại bị thu hút bởi các nguyên tử tương tự . Đáng ngạc nhiên là sự kết hợp này giúp loại bỏ những ảnh hưởng của sự tán xạ electron. Với việc xuất hiện hàng tỷ lần trong một giây, hiện tượng "cặp đôi" này làm cho sức đề kháng biến mất : do đó điện không ma sát!

Cáp siêu dẫn .

Là loại cáp ngầm làm bằng chất siêu dẫn, có tính mất trở kháng đối với dòng điện ở nhiệt độ thấp. Cáp siêu dẫn được làm bằng dây dẫn thế hệ thứ hai phủ đồng đồng dựa trên họ các chất siêu dẫn được phát hiện vào năm 1986 và hiện đang được lắp đặt cho lưới điện . Vì các chất siêu dẫn truyền điện mà không sinh nhiệt, chúng có thể mang điện với hiệu suất gấp nhiều lần so với dây cáp đồng thông thường với cùng một diện tích mặt cắt .

Cáp siêu dẫn (bên phải )  so với cáp đồng ( bên trái ) - Courtesy, American Superconductor Corporation

02 tháng 7 2008 - American Superconductor chính thức đưa vào hoạt động hệ thống cáp điện truyền tải nhiệt độ cao siêu dẫn đầu tiên trên thế giới được sử dụng trong một lưới điện thương mại. Chất siêu dẫn có thể cung cấp nhiều năng lượng một cách nhanh chóng, hiệu quả, và kín đáo. Việc truyền tải điện có hiệu suất gấp 150 lần điện của dây đồng có kích thước tương tự. Tuy nhiên, do khó khăn về công nghệ, sự phát triển thương mại của hệ thống siêu dẫn trong cáp điện đã bị khai triển khá chậm.


Chất siêu dẫn rất quan trọng trong khoa học, y học, và ngành công nghiệp. Dây siêu dẫn được sử dụng trong các nam châm cho máy gia tốc như Large Hadron Collider, và trong  máy chụp hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) tại các bệnh viện. Các dây cáp siêu dẫn đầu tiên cho đường dây tải điện ngầm cũng đang được cài đặt tương đối phổ biến .








01/09/2005
Theo David Larbalestier, Applied Superconductivity Center and Department of Materials Science and Engineering, University of Wisconsin-Madison

 +++++++++++++++++++++++++++

Nguồn :
1. http://www.symmetrymagazine.org/article/september-2005/explain-it-in-60-seconds
2. http://www.physicscentral.com/explore/pictures/superconductors.cfm
3. http://www.newscientist.com/special/instant-expert-superconductors
4. http://spectrum.ieee.org/energy/the-smarter-grid/superconductors-enter-commercial-utility-service
5. http://cnx.org/contents/1741effd-9cda-4b2b-a91e-003e6f587263@43.2:44/Sustainability:_A_Comprehensiv



Trần hồng Cơ
Tham khảo - Trích lược .
Ngày 25/11/2014 .



 ------------------------------------------------------------------------------------------- 

 Chúng ta phải biết và chúng ta sẽ biết . 

 David Hilbert .