Hiện tượng siêu dẫn là gì? Tìm hiểu ý nghĩa của nó đối với nhân loại?

Or you want a quick look: Hiện tượng siêu dẫn là gì và nó mang ý nghĩa gì đối với nhân loại?

Các nhà khoa học trên thế giới đang dần tìm ra một “góc thần kỳ” để tạo nên một vật liệu siêu dẫn mới có thể được áp dụng ngoài quy mô phòng thí nghiệm. Vuidulich.vn cũng giúp giải đáp những vấn đề sau đây:

 

Hiện tượng siêu dẫn là gì và nó mang ý nghĩa gì đối với nhân loại?

Hiện tượng siêu dẫn là hiệu ứng vật lý xảy ra đối với một số vật liệu ở nhiệt độ đủ thấp và từ trường đủ nhỏ, đặc trưng bởi điện trở bằng 0 dẫn đến sự suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner). Siêu dẫn là một hiện tượng lượng tử. Trạng thái vật chất này không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo trong vật lý cổ điển. Trong chất siêu dẫn thông thường, sự siêu dẫn được tạo ra bằng cách tạo một lực hút giữa một số electron truyền dẫn nào đó nảy sinh từ việc trao đổi phonon, làm cho các electron dẫn trong chất siêu dẫn biểu hiện pha siêu lỏng tạo ra từ cặp electron tương quan. Ngoài ra còn tồn tại một lớp các vật chất, biết đến như là các chất siêu dẫn khác thường, phô bày tính chất siêu dẫn nhưng tính chất vật lý trái ngược lý thuyết của chất siêu dẫn đơn thuần. Đặc biệt, có chất siêu dẫn nhiệt độ cao có tính siêu dẫn tại nhiệt độ cao hơn lý thuyết thường biết (nhưng hiện vẫn thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trong phòng). Hiện nay chưa có lý thuyết hoàn chỉnh về chất siêu dẫn nhiệt độ cao.  Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn: + Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh. + Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa. Cùng Top lời giải tìm hiểu về thêm kiến thức lý thuyết về dòng điện trong kim loại nhé  

1. Bản chất của dòng điện trong kim loại

Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại: - Trong kim loại, các nguyên tử bị mất electron hóa trị trở thành các ion dương.

+ Các ion dương liên kết với nhau một cách có trật tự tạo thành mạng tinh thể kim loại. + Các ion dương dao động nhiệt xung quanh nút mạng. - Các electron hóa trị tách khỏi nguyên tử thành các electron tự do với mật độ n không đổi. Chúng chuyển động hỗn loạn tạo thành khí electron tự do. - Điện trường E→ do nguồn điện ngoài sinh ra đẩy khí electron trôi ngược chiều điện trường, tạo ra dòng điện. - Sự mất trật tự của mạng tinh thể cản trở chuyển động của electron tự do, là nguyên nhân gây ra điện trở của kim loại. - Hạt tải điện trong kim loại là các electron tự do. Mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. ⇒ Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường.  

2. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo nhiệt độ

Điện trở suất ρ của kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất: ρ = ρ0[1 + α(t - t0)] Trong đó: + ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ t0oC (thường ở 20oC) + ρ là điện trở suất ở nhiệt độ toC + α là hệ số nhiệt điện trở (K-1) Hệ số nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ mà vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.  

3. Điện trở của kim loại ở nhiệt độ thấp và hiện tượng siêu dẫn

- Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0oK điện trở của kim loại sạch đều rất bé. - Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn. - Ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn: + Các cuộn dây siêu dẫn được dùng để tạo ra các từ trường rất mạnh. + Dự kiến dùng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.  

4. Hiện tượng nhiệt điện

- Nếu lấy hai dây kim loại khác nhau và hàn hai đầu với nhau, một mối hàn giữ ở nhiệt độ cao, một mối hàn giữ ở nhiệt độ thấp thì hiệu điện thế giữa đầu nóng và đầu lạnh của từng dây không giống nhau, trong mạch có một suất điện động E. E gọi là suất điện động nhiệt điện và bộ hai dây dẫn hàn hai đầu vào nhau gọi là cặp nhiệt điện. - Suất điện động nhiệt điện: E = αT(T1 - T2) Trong đó: + T1 là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ cao hơn (K) + T2 là nhiệt độ ở đầu có nhiệt độ thấp hơn (K) + αT là hệ số nhiệt điện động (V/K)     - Cặp nhiệt điện được dùng phổ biến để đo nhiệt độ.

Hiện tượng siêu dẫn trong tiếng anh là gì?

Trong tiếng anh hiện tượng siêu dẫn được gọi là: Superconducting phenomenon. Và nguồn góc của hiện tượng siêu dẫn này cũng được phát hiện vào năm 1911 bởi nhà vậy lý Hà Lan. Video giới thiệu tương lai của vật liệu siêu dẫn 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. Như vậy, nếu có thể tìm hoặc tạo ra được bất kì một vật liệu siêu dẫn nào ở nhiệt độ ta có thể ứng dụng được bên ngoài khu vực phòng thí nghiệm thì hoàn toàn có thể mở ra một cuộc cách mạng lớn trong nhiều lĩnh vực trên thế giới mà có lẽ mạnh mẽ nhất đó chính là ngành công nghiệp năng lượng khi mà chúng ta hoàn toàn có thể vận chuyển điện năng với mức hao phí vô cùng vô cùng nhỏ. Những ứng dụng trong khoa học to lớn mà nhờ có vật liệu siêu dẫn có thể sẽ trở thành sự thật như máy gia tốc hạt mạnh mẽ hơn hiện tại với nguyên lý “va đập siêu dẫn”, tạo ra những cảm biến siêu nhạy hay đường dẫn siêu tốc giúp cho các thiết bị điện tử mạnh mẽ hơn rất nhiều… Hay còn là những sản phẩm hoàn toàn mới và độc lạ mang tính ứng dụng cao như khóa lượng tử mà Science Realm chúng mình đã từng đề cập trong một bài viết trước đây mà mình sẽ để bên dưới.

Liệu rằng con người sắp đạt được mục tiêu tạo ra vật liệu bán dẫn mới với khả năng ứng dụng cao hơn?

Các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Ohio hợp tác với các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về vấn đề này trong thời gian vừa qua và công trình của họ đã được công bố gần đây trên tạp chí Science Advances cho thấy rằng graphene, một vật liệu bao gồm một lớp nguyên tử carbon duy nhất có khả năng trở thành chất siêu dẫn tốt hơn cả tưởng tượng ban đầu của họ. Graphene là tinh thể hai chiều, một mảnh carbon hoàn toàn phẳng và không phải là chất siêu dẫn. Nhưng đầu năm nay, các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã công bố nghiên cứu cho thấy rằng graphene có thể trở thành chất siêu dẫn nếu một mảnh graphene được đặt lên trên một mảnh khác và các lớp được xoắn theo một góc cụ thể mà họ gọi là “góc ma thuật.” “Bản thân graphene có thể dẫn năng lượng, như một kim loại bình thường có tính dẫn điện, nhưng chỉ gần đây chúng ta mới biết nó cũng có thể là chất siêu dẫn, bằng cách tạo ra cái gọi là “góc ma thuật” – xoắn hai lớp graphene lại với nhau tạo thành một góc cố định và phải cực kì chính xác. ” theo lời giáo sư Vật Lý tại bang Ohio – Jeanie Lau. Góc ma thuật đó ban đầu được các nhà khoa học dự đoán nằm trong khoảng từ 1 độ đến 1,2 độ. Nhưng công trình của nhóm khoa học tại Ohio này đã có một số phát hiện chỉ ra rằng các lớp graphene vẫn siêu dẫn ở một góc nhỏ hơn đó là vào khoảng 0,9 độ. Dù đây là một sự khác biệt nhỏ, nhưng nó có thể mở ra khả năng các thí nghiệm mới để điều tra graphene như một chất siêu dẫn tiềm năng trong thế giới thực. Marc Bockrath, giáo sư Vật Lý và đồng tác giả bài báo trên tại bang Ohio cho biết: “Nghiên cứu này đã thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về chất siêu dẫn và góc ma thuật xa hơn một chút so với lý thuyết và các thí nghiệm trước đây có thể đã xảy ra”. Vì vậy, dù hiện tại chúng ta vẫn chưa có một kết quả chính thức nào về thực nghiệm nhưng chúng ta hoàn toàn vẫn có thể hy vọng vào một kỷ nguyên khoa học đầy hứa hẹn cùng tiềm năng vô cùng lớn trước mắt đang liên tục vẫy gọi toàn bộ nhân loại. Vuidulich.vn cũng giúp giải đáp những vấn đề sau đây: