CHẤT DẪN ĐIỆN CHẤT SIÊU DẪN Giảng viên: Nguyễn Đăng Nhật Năm học: 2011-2012 1.Chất siêu dẫn 1.1 khái niệm 1.2 Lịch sử 1.3 ứng dụng 1.1 Khái niệm Siêu dẫn hiệu ứng vật lý xảy số vật liệu nhiệt độ đủ thấp từ trường đủ nhỏ, đặc trưng điện trở dẫn đến suy giảm nội từ trường (hiệu ứng Meissner) Siêu dẫn tượng lượng tử Trạng thái vật chất không nên nhầm với mô hình lý tưởng dẫn điện hoàn hảo vật lý cổ điển, ví dụ từ thủy động lực học a Siêu dẫn nhiệt độ cao Siêu dẫn nhiệt độ cao, vật lý học, nói đến tượng siêu dẫn có nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn từ vài chục Kelvin trở lên Các tượng khám phá từ thập kỷ 1980 giải thích lý thuyết BCS vốn thành công với chất siêu dẫn cổ điển tìm thấy trước Siêu dẫn ở nhiê êt đô ê cao b Hiệu ứng Meissner Một nam châm nâng mặt vật liệu siêu dẫn nhúng nitơ lỏng lạnh tới −200°C, thể hiệu ứng Meissner • Hiệu ứng Meissner hay hiệu ứng Meissner-Ochsenfeld hiệu ứng từ thông bị đẩy hoàn toàn khỏi bên vật siêu dẫn Hiện tượng tượng nghịch từ hoàn hảo Từ thông sinh vật siêu dẫn bù trừ hoàn toàn từ thông môi trường Do đó, từ thông bên vật siêu dẫn Hiện tượng khám phá Walther Meissner Robert Ochsenfeld vào năm 1933 c Lý thuyết BCS • Lý thuyết BCS mô hình lý thuyết vi mô ba nhà vật lý John Bardeen, Leon Cooper Robert Schrieffer đưa vào năm 1957 để giải thích tượng siêu dẫn Lý thuyết giải thích thành công tính chất vi mô hệ siêu dẫn nhiệt động lực học hệ Lý thuyết tương thích với mô hình định tính khác "lý thuyết Ginzburg-Landau" Hình Cấu trúc tinh thể phổ nhiễu xạ tia X vật liệu (J Am Chem Soc 130 3296) • Mới đây, Hideo Hosono cộng Viện Công nghệ Tokyo (Nhật Bản) lần khám phá vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao có nhiệt độ chuyển pha 26 K dựa hợp chất sắt -Fe (có thể xem kết J Am Chem Soc 130 3296) Đây hợp chất LaOFeAs chứa lớp Lanthanum (La) Ôxi (O) bị kẹp bởi lớp Sắt (Fe) Arsenic (As) – bị pha tạp thêm ion Fluoride Các nhà nghiên cứu hi vọng tăng nhiệt độ chuyển pha cao 26 K cách thay đổi trình xử lý vật liệu (ví dụ đặt áp suất…) Các nghiên cứu sơ ban đầu vật liệu giả thiết tính chất siêu dẫn xảy vật liệu không thuộc loại trung gian phonon (phonon-mediated) kỳ vọng từ lý thuyết cổ điển BCS, không giống dự đoán hợp chất siêu dẫn nhiệt độ cao kiểu “cuprates” Hình Sự thay đổi điện trở suất độ cảm từ phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu Tính chất chuyển pha xảy 26 K (J Am Chem Soc 130 3296) SILICON siêu dẫn ở nhiệt độ phòng • • • • Các nhà khoa học Đức Canada tuyên bố vượt qua siêu thử thách ngành điện tử, tạo chất siêu dẫn nhiệt độ phòng mà dùng hợp chất thông thường Với khí SiH4 áp suất cao, nhà khoa học tạo vật liệu siêu dẫn nhiệt độ phòng Source: Wikipedia Đầu năm nay, TTCN tóm tắt tiến triển việc tìm kiếm vật liệu siêu dẫn Có lẽ bước tiến quan trọng lĩnh vực nhóm nhà khoa học Canana Đức thực thành công công bố Nhóm phát triển hợp chất siêu dẫn nhiệt độ thường bao gồm silicon Hydro mà không cần máy làm lạnh Chìa khóa tượng siêu dẫn nhiệt độ thường áp suất, yếu tố mà trước coi rào cản vượt qua ngành điện tử Một số hợp chất, nén áp suất lớn có đặc tính đặc biệt, có siêu dẫn Tại vật liệu siêu dẫn không đươc sử dụng rộng rải? 1.Để tạo vật liệu siêu dân phải đưa điện trở Mà điều khó làm Việc nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu dẫn đòi hỏi công nghệ kỷ thuật cao 3.Chi phí tạo vật liệu siêu dẫn đắc tốn kém.Đây nguyên nhân mà vật liêu siêu dẫn sử dụng thực tế 2.CHẤT DẪN ĐIỆN: 2.1 Khái niệm: 2.1.1 Định nghĩa: 2.1.2 Phân loại: 2.1.3 Đặt tính vật liệu dẫn điện: 2.2 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng: 2.1 Khái niệm 2.1.1 Định nghĩa: Là chất có vùng tự nằm sát với vùng đầy chí chồng lên vùng đầy Vật dẫn điện có số lượng điện tử tự lớn, nhiệt độ bình thường điện tử hoá trị vùng đầy chuyển sang vùng tự dễ dàng, tác dụng lực điện trường điện tử tham gia vào dòng điện dẫn Chính vật dẫn có tính dẫn điện tốt 2.1.2 Phân loại: • Vật liệu dẫn điện vật rắn, lỏng điều kiện định khí • - Vật liệu thể rắn kim loại hợp kim Vật dẫn kim loại chia làm loại loại có điện dẫn cao loại có điện trở cao Kim loại có điện dẫn cao dùng làm dây dẫn, cáp điện, dây quấn máy điện, loại có điện trở cao dùng dụng cụ đốt nóng điện, đèn tháp sáng, biến trở • - Vật liệu thể lỏng kim loại nóng chảy dung dịch điện phân kim loại thường nóng chảy nhiệt độ cao trừ thuỷ ngân có nhiệt nóng chảy 390C nên thực tế kim loại lỏng có thuỷ ngân dùng thực tế kỹ thuật 2.1.3 Đặc tính vật liệu dẫn điện 1.Điện dẫn suất điện trở suất • Điện dẫn suất hay điện trở suất vật liệu tính theo biểu thức sau: • Y=1/p m/Ωmm2 • Trị số nghịch đảo điện dẫn suất γ gọi điện trở suất ρ, vật dẫn có tiết điện không đổi S độ dài l thì: • p=RS/ l • Đơn vị điện trở suất Ω.mm2/m, quan hệ đại lượng sau: • 1Ω.m = 106Ωmm2/m = 106 µΩm • 1Ωmm2/m = µΩm • Trị số điện trở suất vật dẫn kim loại biến đổi khoảng tương đối rộng từ 0.016(bạc) đến 10Ωmm2/m (hợp kim sắt- crôm- nhôm) 2.Hệ số nhiệt điện trở suất • Điện trở suất kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ khoảng nhiệt độ hẹp quan hệ điện trở suất với nhiệt độ gần đường thẳng, giá trị điện trở suất cuối đoạn nhiệt độ ∆t tính theo công thức sau: • pt=p0(1+ αp ∆t ) Trong đó: ρt : điện trở suất đo nhiệt độ t • ρ0 : điện trở suất nhiệt độ ban đầu t0 • αP : hệ số nhiệt điện trở suất • Hệ số nhiệt điện trở suât nói lên thay đổi điện trở suất vật 3.Nhiệt dẫn suất • Nhiệt dẫn suất kim loại dẫn điện có quan hệ vơi điện dẫn suất kim loại kim loại khác nhiệt độ bình thường với điện dẫn suất tính S/m nhiệt dẫn suất tính W/độ.m 4.Hiệu điện tiếp xúc sức nhiệt động • Khi cho hai kim loại khác tiếp xúc chúng phát sinh hiệu điện nguyên nhân sinh hiệu điện tiếp xúc công thoát điện tử kim loại khác đông thời số điện tử tự khác mà áp lực điện tử kim loại khác không giống 5.Hệ số nhiệt độ dãn nở dài vật dẫn kim loại • Hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài vật dẫn kim loại trị số hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ nhiệt độ nóng chảy Khi hệ số cao dễ nóng chảy nhiệt độ thấp kim loại có hệ số nhỏ khó nóng chảy(αl) 6.Tính học vật liệu • Tính chất học hay gọi tính khả chống lại tác dụng lực bên lên kim loại • Cơ tính kim loại bao gồm tính đàn hồi, tính dẻo, tính dai, độ cứng, chịu va chạm, độ chịu mỏi 2.2 Một số vật liệu dẫn điện thông dụng 1ồng (Cu) • • • • • • • • • • • • • • • Tầm quan trọng kỹ thuật điện Đồng vật liệu quan trong tất vật liệu dẫn điện dùng kỹ thuật điện có điện dẫn suất, nhiệt dẫn suất lớn( sau bạc),nó có sức bền khí lớn, chống lại ăn mòn khí có tính đàn hồi cao Vì đồng trở thành vật liệu quan nhát để sản xuất dây điện kim loại chiếm 0,01% lòng đất Phân loại Đồng sử dụng công nghiệplà đồng tinh chế phân loại sở tạp chất lẫn vào đồng tức mức độ tinh khiết không tinh khiết Ký hiệuCu% tối thiểuHướng dẫn sử dụngCuECu9Cu5Cu099,9599,9099,599,0Đồng điện phân, dây dẫn điện, hợp kim nguyên chất mịnDây dẫn điện, hợp kim mịn dễ dát mỏng, bán thành phẩm với yêu cầu đặc biệtBán thành phẩm dạng tấm, dạng ống hợp kim dùng để dát mỏng rót chi tiết Đặc tính chung đồng Đồng kim loại có màu đỏ nhạt có điện dẫn suất, nhiệt dẫn suất cao có sức bền khí tương đối lớn dễ dát, dễ vuốt dãn dễ gia công nóng nguội (rèn kéo sợi dát mỏng) có sức bền lớn va đập ăn mòn, có sức đề kháng cao với thời tiết xấu có khả tạo thành hợp kim tốt đồng thời có khả hàn gắn dễ dàng Trọng lượng riêng 200C : 8.90 kg/dm3 Nhiệt độ nóng chảy : 10830C Điện trở suất : - Dây mềm : 0.01748 Ωmm2/m - Dây cứng : 0.01786 Ωmm2/m Ứng dụng Do đặc tính điện đặc biệt đồng, đồng thời có sức bền cao thời tiết xấu nên đồng kim loại sử dụng phổ biến kỹ thuật điện kết cấu máy điện, máy biến thế, làm dây dẫn điện cho đường dây không, dây tải điện, dùng khí cụ điện, trang thiết bị điện, thiết bị vô tuyến viễn thông • 2) Nhôm (Al) a Tầm quan trọng kỹ thuật điện • Sau vật liệu đồng nhôm vật liệu quan thứ sử dụng kỹ thuật điện vị có điện dẫn suất cao ( thua bạc đồng ), Nhiệt độ nóng chảy 6570C • Điện trở suất 2.941Ωmm2/m • Nhưng nhôm có nhược điểm sức bền khí tương đối bé khó khăn việc thực tiếp xúc điện Nhôm vật liệu có nhiều trái đất khoảng 7,5% b.Phân loại • Nhôm duìng công nghiệp phân loại tỉ lệ phần trăm kim loại tinh khiết • Nhôm dùng công nghiệp phụ thuộc vào mục đích theo tiêu chuẩn nước nhôm sử dụng làm dây dẫn điện phải gồm : • Nhôm tinh khiết tối thiểu 99,5% • Sắt -Silic 0.45% • Đồng- Kẽm 0.05% c Các đặc tính chung • Nhôm kim loại có màu trắng bạc nhẹ, dễ dát mỏng, vuốt giãn gia công dễ dàng nóng nguội, dễ kéo sợi , nhôm bền vững không chịu ăn mòn môi trường không khí, nước • Nhôm kim loại mềm đề kháng va chạm xây xát, kéo cắt • Nhôm dễ phá huỷ môi trường muối, HCl, H2SO4 • Nhôm khó hàn nối • Trọng lượng riêng 200C 2.7kg/dm3 • Chú ý: Không nên thực mối nối đồng nhôm chúng điện phân làm hao mòn nhanh chóng bề mặt tiếp xúc gây tiếp xúc xấu d.ứng dụng +Do tính chất ,điện đặ biệt nhôm có sức đề kháng cao với thời tiết xấu nhôm có thiên nhiều nên nhôm sử dụng phổ biến kỹ thuật điện để chế tao: • Dây dẫn điện đường dây truyền tải • Dây cáp điện • Các góp chi tiết thiết bị điện • Dây dẫn dùng để quấn • Làm tụ điện • Các roto động điện • Các chi tiết, đầu nối giắc cắm + Dây dẫn nhôm dùng phổ biến đường dây không sau người ta sử dụng phương pháp để đảm bảo trạng thái tiếp xúc mối nối liên kết + Để tăng cường sức bền khí dây dẫn người ta chế tạo dây dẫn thép nhôm tổng hợp có phần lõi thép sợi hây nhiều sợi quấn lớp hây nhiều lớp nhôm xung quanh lõi thép Wonfram • Là kim loại rắn, nặng, có màu xám có nhiệt độ nóng chảy cao kim loại (33700C) • Wonfram dùng làm tiếp điểm ưu điểm tiếp điểm wonfram: • - Ổn định lúc làm việc • - Độ mài mòn nhỏ vật liệu có độ cứng cao • - Có khả chống tác dụng hồ quang, không làm dính tiếp điểm khó nóng chảy • - Độ ăn mòn bề mặt nhỏ • Nhược điểm wonfram làm vật liệu tiếp xúc: • - Khó gia công • - Ở điều kiện khí tạo thành mạng oxít • - Cần có áp lực tiếp xúc lớn để có trị số điện trở tiếp xúc nhỏ • Nó ứng dụng làm sợi dây tóc bóng đèn Palatin (bạch kim) • Bạch kim kim loại không kết hợp với oxy bền vững với thuốc thử hoá học Bạch kim dễ gia công khí, kéo thành sợi mảnh mỏng • Ứng dụng : - Dùng để sản xuất cặp nhiệt nhiệt độ làm việc đến 16000C - Sợi platin đặc điệt mảnh, đường kính 0.001mm dùng để treo hệ thống động đồng hồ điện dụng cụ có độ nhạy cao Bạc • Bạc kim loại có màu trắng không bị ôxy hoá điều kiện làm việc bình thường Bạc có trị số điện trở suât nhỏ kim loại • Bạc dùng để sản xuất tiếp điểm có dòng điện nhỏ dùng làm cực sản xuất tụ gốm, tụ mica 6.Vàng • Vàng kim loại có màu sáng chói có tính dẻo cao kỹ thuật điện vàng dùng vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, điện cực tế bào quang điện,và công việc khác Vàng vật liệu quý hiếm, đắt tiến nên sử dụng cần thiết