Vì sao nói chất siêu dẫn không phải là chất dẫn hoàn toàn?

Cái danh từ chất dẫn (điện) không xa lạ gì đối với chúng ta cả. Hằng ngày, khi chúng ta bật rađiô hay tivi, chất dẫn liền hiện rõ ngay, chuyển biến tín hiệu điện thành âm nhạc du dương và hình ảnh tươi đẹp. Sở dĩ chất dẫn có được tính năng dẫn điện rất tốt là do kết cấu nội bộ của chúng quyết định. Song, bất kể là chất dẫn nào, trên đường đi của dòng điện bao giờ cũng sinh ra lực cản đối với dòng điện. Khi một dòng điện rất mạnh di qua dây dẫn, dây sẽ nóng lên, đó chính là loại lực cản, là điện trở trong dây gây ra. Chính vì có sự tồn tại của điện trở, năng lượng của dòng điện không thể không chia ra một phần tiêu hao trên điện trở, qua đó làm cho điện năng hữu dụng bị lãng phí vô ích.

Dòng điện chạy trong chất dẫn điện như thế nào? Có tồn tại chất dẫn điện hoàn toàn không có điện trở hay không? Đó là hai vấn đề mà con người rất quan tâm.

Thì ra, sự chuyển động của dòng điện là do một loại lực đặc biệt – lực điện trường gây ra. Khi dòng điện gặp phải điện trở, tốc độ chuyển động bị chậm lại, lực điện trường liền “ra tay giúp đỡ” để dòng điện vượt qua lực cản mà chạy không ngừng trong dây dẫn. Nguồn sinh ra ngoại lực điện trường này là nguồn điện. Nếu trong dây dẫn không có điện trở thì sự chuyển động của dòng điện không còn cần đến sự thúc đẩy của lực điện trường mà có thể chạy mãi được. Chất dẫn điện như vậy gọi là chất dẫn điện hoàn toàn. Trong chất dẫn hoàn toàn, lực điện trường chẳng những không có “đất dụng võ”, mà còn hoàn toàn không có “chỗ dung thân”. Vì trong chất dẫn hoàn toàn không còn điện trở nữa, điện tích một khi chịu lực thì sẽ càng chạy càng nhanh, rốt cuộc làm cho dòng điện trong chất dẫn trở nên ngày càng lớn, đến nỗi không sai khiến được. Trong hiện thực, loại tình hình này không thể nào xuất hiện ra. Vì vậy, trong chất dẫn hoàn toàn không thể tồn tại lực điện trường. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng loại lực điện trường này còn sinh ra từ trường biến đổi theo thời gian. Trong chất dẫn hoàn toàn đã không có điện trường, thế thì trong nó cũng không thể tồn tại từ trường biến đổi theo thời gian.

Năm 1911, tại một phòng thực nghiệm ở Hà Lan do giáo sư Onnes lãnh đạo, một phát hiện lớn lao làm cho nhân viên nghiên cứu rất sửng sốt. Họ đã nhận thấy, ở gần nhiệt độ 4,2 K (khoảng –269°C), điện trở của thuỷ ngân đột nhiên biến mất. Về sau lại phát hiện, khi nhiệt độ ở 3,8 K (khoảng –270°C), điện trở của thiếc cũng không còn nữa. Lúc bấy giờ họ gọi loại trạng thái dẫn điện đặc thù ấy là trạng thái siêu dẫn. Chất dẫn điện thể hiện trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp tức là chất siêu dẫn.

Chất siêu dẫn có phải là chất dẫn điện hoàn toàn không? Xét từ đặc điểm điện trở bằng không, chất siêu dẫn không có gì khác với chất dẫn điện hoàn toàn. Tuy nhiên, các nhà khoa học thông qua thực nghiệm đã cho thấy chất siêu dẫn có một loại tính chất rất đặc biệt. Loại tính chất này gọi là tính kháng từ hoàn toàn. Tính chất này chất dẫn điện hoàn toàn không có.

Đưa một nam châm có từ tính rất mạnh đến gần chất dẫn, chất dẫn dễ bị nam châm hút lại. Đó là vì chất dẫn chịu ảnh hưởng của nam châm nên cũng có từ tính, gọi là từ hoá. Tuy nhiên, khi đưa thỏi từ đến gần vật siêu dẫn thì nam châm lại phải chịu một lực cản rất lớn. Nếu đặt chất siêu dẫn lên mặt bàn, khi cho nam châm đến gần chất siêu dẫn từ phía trên xuống, lực cản đối với nam châm lớn đến nỗi có thể cân bằng với trọng lực của nam châm, làm cho nam châm bị treo nổi bên trên chất siêu dẫn. Đó tức là hiện tượng treo nổi từ (hay hiệu ứng siêu dẫn nặng không tiếp xúc). Nguyên nhân sinh ra hiện tượng đó là ở chỗ chất siêu dẫn không bị từ hoá. Nó có tính kháng từ rất mạnh (chất siêu dẫn đẩy toàn bộ từ thông). Trong chất dẫn hoàn toàn, từ trường một khi được sinh ra thì không thể nào tăng lên hoặc mất đi. Nhưng trong chất siêu dẫn, hoàn toàn không có từ trường nào xuất hiện cả. Cho dù trong chất dẫn vốn có từ trường tồn tại, khi biến thành chất siêu dẫn rồi thì từ trường liền bị đẩy tất cả ra ngoài chất siêu dẫn. Nếu đặt một từ trường vào bên ngoài chất siêu dẫn thì từ trường ấy không sao đi vào trong chất siêu dẫn được. Vì vậy, xét về mặt tính chất kháng từ, chất siêu dẫn không phải là chất dẫn hoàn toàn. Nó là một trạng thái mới của chất dẫn tồn tại ở nhiệt độ cực thấp.

Lợi dụng hiệu ứng tính kháng từ của chất siêu dẫn, hiện nay người ta đã chế tạo được đoàn tàu hoả treo nổi từ. Đoàn tàu này chạy bên trên đường ray, không có lực ma sát giữa đường ray và bánh xe như loại tàu hoả thông thường, tốc độ chạy tàu có thể tăng lên rất cao.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hỏi đáp & Tư vấn © 2013 Hỏi đáp tư vấn