Siêu dẫn là gì? Siêu dẫn có tác dụng gì trong cuộc sống của con người?

Chúng ta đều biết rằng, đường dây điện mà chúng ta thường dùng là các loại dây kim loại bởi vì kim loại có tính dẫn điện rất tốt. Còn các vật liệu khác như gỗ, sứ, cao su... là những vật liệu không dẫn điện trong điều kiện bình thường, chúng là vật cách điện. Thế nhưng, trong điều kiện bình thường các kim loại dẫn điện đều có điện trở, cho nên trong mỗi dây dẫn khi có dòng điện chạy qua điện tích trong dòng điện sẽ chịu lực cản. Khi dùng tay sờ vào dây điện hoặc thiết bị điện gia dụng, chúng ta sẽ phát hiện ra rằng trên vỏ dây điện hay các đồ điện gia dụng đều tỏa nhiệt, nhiệt độ của chúng là do điện trở gây ra.

Khi điện chuyển động sẽ phải chịu tác dụng của lực cản, từ đó làm tiêu hao năng lượng, làm giảm tốc độ cho đến khi dừng chuyển động lại. Dòng điện do chịu tác động của lực cản nên nó phải chịu nhiều tổn thất về năng lượng, do đó gây nhiều lãng phí.

Cùng với sự phát triển của kỹ thuật làm giảm nhiệt độ, giấc mơ của chúng ta đang từng bước biến thành hiện thực. Các thí nghiệm đã phát hiện ra rằng, ở môi trường nhiệt độ càng thấp, tỷ suất dẫn điện của kim loại càng tăng lên, điều này có nghĩa là điện trở sẽ được giảm xuống (tỷ suất dẫn điện và điện trở tỷ lệ nghịch với nhau). Năm 1911, các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Leiden của Hà Lan đã quan sát quá trình thay đổi của thủy ngân dẫn điện trong môi trường nhiệt độ thấp. Khi ở nhiệt độ gần 4,2K, điện trở trong thủy ngân đột nhiên mất đi. Điều này có nghĩa là ở nhiệt độ gần 4,2K, khi được đưa vào trạng thái mới, điện trở đã trở về số không. Với hình thái vật chất đặc biệt này họ đã định danh là trạng thái siêu dẫn5;ng nhiệt độ làm cho điện trở đột nhiên thay đổi được gọi là ranh giới nhiệt độ siêu dẫn. Sau đó, họ lại tiếp tục phát hiện ra có nhiều kim loại cũng có hiện tượng siêu dẫn điện. Ví dụ như thiếc, chì ở 3,8K cũng trở thành trạng thái siêu dẫn, được gọi là chất siêu dẫn (vật liệu siêu dẫn). Đặc tính quan trọng nhất của vật liệu siêu dẫn là điện trở bằng 0 và hoàn toàn kháng từ tính.

Trước kia, người ta cho rằng không thể biến vật liệu bán dẫn hay các nguyên tố kim loại thành vật liệu siêu dẫn, nhưng trong điều kiện nhất định chúng đã được ứng dụng và trở thành vật liệu siêu dẫn.

Trong trạng thái siêu dẫn, do không có điện trở, dòng điện đi qua vật dẫn dường như không bị suy hao. Điều này có thể giải quyết được vấn đề tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải. Đồng thời, khi được dùng làm linh kiện cho thiết bị điện có phát nhiệt thì nó cũng làm tăng tuổi thọ cho thiết bị.

Năm 1961, người ta đã chế tạo ra vật liệu siêu dẫn từ. Sự kiện này đã làm chuyển biến ranh giới của hiện tượng siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Từ đó về sau, nhờ việc phát triển liên tục việc sử dụng vật liệu siêu dẫn cũng như kỹ thuật làm lạnh, vật liệu siêu dẫn từ được ứng dụng ngày càng rộng rãi. Đặc biệt những vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao được phát hiện vào những năm 70 của thế kỷ 20 là vật liệu siêu dẫn ôxy hóa. Nó đã tạo ra một trào lưu sáng chế các loại vật liệu siêu dẫn ở nhiều nước. Hiện nay, người ta đã chế tạo được chất siêu dẫn nhiệt độ cao với ranh giới nhiệt độ là 150K (-1230C). Có lẽ trong tương lai không xa, con người có thể chế tạo ra các vật liệu siêu dẫn được sử dụng trong môi trường nhiệt độ thường. Vận chuyển điện năng là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của chất siêu dẫn. Do điện trở, điện năng bị tổn thất rất nhiều trong quá trình truyền tải chính là một vấn đề bức xúc. n nay, trong tình trạng bình thường, để nâng cao hơn nữa dung lượng điện truyền tải, chỉ có hướng phát triển dòng điện siêu cao áp. Nhưng, kể cả dùng dòng điện siêu cao áp để vận chuyển thì cũng tổn thất rất lớn, hiệu suất nhỏ. Nếu như có thể chế tạo ra vật liệu siêu dẫn sử dụng ổn định trong môi trường nhiệt độ tương đối cao, thì các đường dây bằng vật liệu siêu dẫn sẽ được đưa vào để truyền tải điện ở cự ly xa.

Do chất siêu dẫn có thể giảm được rất nhiều tổn thất năng lượng, hơn nữa lại có từ trường mạnh, cho nên nó được dùng trong các nhà máy phát điện, động cơ điện và dùng để chế tạo ra máy điện siêu dẫn với hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, công suất truyền cao, chất lượng, thể tích nhỏ tạo ra máy tính siêu dẫn, máy tính tốc độ cao, tiêu tốn ít năng lượng, thể tích nhỏ; tạo ra các đệm từ cho tàu siêu tốc 500 km/giờ. Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, đặc biệt là khi nghiên cứu các thí nghiệm vật lý năng lượng cao, cũng như kết cấu vật chất hay khi phân tích phân tử sinh vật nó là một trong những bộ phận vô cùng quan trọng. Ví dụ như máy gia tốc hạt hình tròn, kính hiển vi điện tử, linh kiện cộng chấn từ hạt nhân... Ta có thể thấy tương lai ứng dụng của vật liệu siêu dẫn là vô cùng rộng mở.