Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, giải thích hiện tượng của lò vi sóng và bếp điện từ,vật liệu siêu dẫn, các đặc tính của vật liệu siêu dẫn

CẤU TẠO, NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG, GIẢI THÍCH HIỆN TƯỢNG CỦA LÒ VI SÓNG VÀ BẾP ĐIỆN TỪ,VẬT LIỆU SIÊU DẪN, CÁC ĐẶC TÍNH CỦA VẬT LIỆU SIÊU DẪN Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của lò vi sóng và bếp điện từ I.1. Khái niệm : - Lò vi sóng là một trong những phát minh vĩ đại nhất của thế kỷ 20. Ngày nay, hàng triệu gia đình trên thế giới đang sử hữu ít nhất một chiếc lò vi sóng. Điều kì diệu nhất của lò vi sóng là khả năng nấu chín trong một thời gian ngắn kỷ lục. Thêm nữa, hiệu năng sử dụng điện của lò cực cao do chúng chỉ hâm nóng trực tiếp lên thức ăn chứ không phải qua những vật trung gian theo cách nấu truyền thống như xong, nồi cũng như lượng nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh.I.2. Cấu tạo : dựa vào cấu tạo và chức năng đặc biệt. Lò vi sóng thường có các bộ phận sau: nguồn phát sóng mạch điện tử điều khiển ống dẫn sóng, ngăn nấu - Ngăn nấu là một lồng Faraday gồm kim loại hay lưới kim loại bao quanh, đảm bảo cho sóng không lọt ra ngoài. Lưới kim loại thường được quan sát ở cửa lò vi sóng. Các lỗ trên lưới này có kích thước nhỏ hơn nhiều bước sóng (12 cm), nên sóng vi ba không lọt ra, nhưng ánh sáng(ở bước sóng ngắn hơn nhiều) vẫn lọt qua được, giúp quan sát thức ăn bên trong.Lò  vi sóng sử dụng sóng vi ba để làm nóng thức ăn. Sóng vi ba là sóng vô tuyến. Sóng vi ba trong lò vi sóng là các dao động của trường điện từ với tần số thường ở 2,450 MHz (bước sóng cỡ 12,24 cm). Sóng vi ba có một đặc điểm rất thú vị là được nước, chất béo và đường hấp thụ. Khi được hấp thụ, chúng chuyển trực tiếp vào sự chuyển động nguyên tử. Các sản phẩm bằng nhựa, thủy tinh và gốm sứ không hấp thụ được sóng vi ba. Kim loại phản  xạ lại sóng vi ba nên không được sử dụng trong lò vi sóng. Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo của một chiếc lò vi sóng phổ biến. - Các phân tử thức ăn (nước, chất béo, đường và các chất hữu cơ khác) thường ở dạng lưỡng cực điện (có một đầu tích điện âm và đầu kia tích điện dương).- Những lưỡng cực điện này có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài. Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay nhanh qua lại. Dao động quay được chuyển hoá thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, làm nóng thức ăn. - Các phân tử thuỷ tinh, một số loại nhựa hay giấy cũng khó bị hâm nóng bởi vi sóng ở tần số 2.450 MHz. Nhờ đó, thức ăn có thể được đựng trong vật dụng bằng các vật liệu chuyên biệt trên trong lò vi sóng, mà chỉ có thức ăn bị nấu chín. I.3. Nguyên lý hoạt động của lò vi sóng : - Lò vi sóng hoạt động dựa trên nguyên lý mạch cộng hưởng LC. Bộ phận chính của nó gồm 1 biến áp cách ly. Điện áp thứ cấp của biến áp này khoảng trên 1000V. Cuộn dây thứ cấp được nắn bằng 1 diod cao áp để biến thành điện DC sau đó mới qua 1 tụ điện. Tụ này có trị số khoảng 1mF điện áp khoảng 2000V. Sau đó mới đến đèn phát sóng cao tần. Đèn này tương tự như đèn điện tử 2 cực được đốt tim bời điện áp cảm ứng lấy trên biến áp ( chỉ 1 vòng dây ). Anod của nó nối với mase, còn cathod của nó được nối với cao áp. Giá thành của đèn này chiếm đến phân nửa giá thành của lò.Tần số dao động của mạch là tần số cộng hưởng LC với C là giá trị của tụ nói trên còn L chính là cảm kháng của phần thứ cấp biến áp. Công suất và chế độ được điều khiển trên bàn phím phía trước chỉ là đóng mạch relay cho biến áp hoạt động và ấn định thời gian dẫn/thời gian ngắt của biến áp. Tần số hoạt động của lò vi ba khoảng 2GHZ. Một vật mang tính chất lưỡng cực phân tử khi đặt dưới điện trường của đèn này sẽ bị đốt nóng lên và phát nhiệt còn các chất trơ khác thì không bị ảnh hưởng. Ngoài ra còn có các bộ phận phụ khác như động cơ quay dĩa, quạt giải nhiệt, bảo vệ nhiệt và quá dòng, công tắc cửa. - Đèn phát sóng vi ba không phải làm nhiệm vụ khuếch đại mà nhiệm vụ của nó là tạo ra dao động với tần số khoảng 2GHZ. tần số này chính là tần số của mạch cộng hưỡng LC với L là cảm kháng của cuộn dây cao áp còn C là điện dung của tụ điện mắc trong mạch khoảng 0,8-1mF điện áp khoảng 2000V. Nguyên tắc của nó là tạo một điện trường cực mạnh để bức xạ sóng điện từ. Sóng từ bên trong đèn này sẽ bức xạ ra môi trường bên ngoài. Sóng từ đèn sẽ phản xạ vào thành lò nên mọi vật có cấu tạo lưỡng cực phân tử sẽ nhận được sóng này và nóng lên. Có thể nói vật chất bên trong lò nhận được sóng từ đèn và cả sóng phản xạ từ thành lò. Đèn không có cực khiển đâu mà là đèn 3 cực. Nó chỉ gồm một cực anod nối mase, hai chấu đốt tim đèn. Catod là 1 trong 2 chấu nối với tim đèn đó.Với tần số cở này thì chắc chắn sẽ không có một linh kiện bán dẫn nào đáp ứng được. Sóng vi ba được sinh ra từ nguồn magnetron, được dẫn theo ống dẫn sóng, vào ngăn nấu rồi phản xạ qua lại giữa các bức tường của ngăn nấu, và bị hấp thụ bởi thức ăn. Sóng vi ba trong lò vi sóng là các dao động của trường điện từ với tần số thường ở 2450 MHz (bước sóng cỡ 12,24 cm). Các phân tử thức ăn (nước, chất béo, đường và các chất hữu cơ khác) thường ở dạng lưỡng cực điện (có một đầu tích điện âm và đầu kia tích điện dương). Những lưỡng cực điện này có xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài. Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay nhanh qua lại. Dao động quay được chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, làm nóng thức ăn. - Vi sóng ở tần số 2450 MHz làm nóng hiệu quả nước lỏng, nhưng không hiệu quả với chất béo, đường và nước đá. Việc làm nóng này đôi khi bị nhầm với cộng hưởng với dao động riêng của nước, tuy nhiên thực tế cộng hưởng xảy ra ở tần số cao hơn, ở khoảng vài chục GHz. Các phân tử thủy tinh, một số loại nhựa haygiấy cũng khó bị hâm nóng bởi vi sóng ở tần số 2450 MHz. Nhờ đó, thức ăn có thể được đựng trong vật dụng bằng các vật liệu trên trong lò vi sóng, mà chỉ có thức ăn bị nấu chín. - Đối với kim loại hay các chất dẫn điện, điện tử hay các hạt mang điện nằm trong các vật này đặc biệt linh động, và dễ dàng dao động nhanh theo biến đổi điện từ trường. Chúng có thể tạo ra ảnh điện của nguồn phát sóng, tạo nên điện trường mạnh giữa vật dẫn điện và nguồn điện, có thể gây ra tia lửa điện phóng giữa ảnh điện và nguồn, kèm theo nguy cơ cháy nổ. I.4. Giải thích hiện tượng khi nấu ăn bằng lò vi sóng : Tại sao thức ăn, đồ uống để vào lò vi sóng có khi chóng nóng có khi lâu nóng ? Lò vi sóng có bộ phận phát ra sóng điện từ tần số cỡ 2500 MHz tức là bước sóng cỡ trên 10cm. Sóng điện từ tần số này là vào cỡ sóng vi ba dùng trong vô tuyến điện. Sóng mạnh cỡ 500 W, tương đối tập trung vào khoảng giữa lò. Trong sóng điện từ có sự lan truyền dao động của vectơ điện trường. Thức ăn, đồ uống thường có chứa những phân tử bị phân cực thí dụ nước gồm có hyđrô và ôxy trong phân tử nước hyđrô mang điện dương còn ôxy mang điện âm, cả phân tử là một lưỡng cực điện. Dưới tác dụng điện trường, lưỡng cực điện có xu hướng quay dọc theo vectơ điện trường. Khi điện trường thay đổi chiều, các lưỡng cực điện cũng thay đổi chiều theo, quá trình này luôn luôn bị trễ, bị tổn hao vì ma sát, tỏa nhiệt. Sự tổn hao, tỏa nhiệt này rất phụ thuộc vào phân tử gì, lưỡng cực điện lớn hay nhỏ chung quanh lưỡng cực có những phân tử gì v.v... Thí dụ ly cà phê có một ít đường thì rất chóng sôi, bánh mì có phết ít bơ thì bơ rất chóng nóng chảy... Vật liệu siêu dẫn các đặc tính của vật liệu siêu dẫn. II.1. Khái niệm : 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. II.2. Đặc tính của vật liệu siêu dẫn : - Lần đầu tiên các nhà khoa học đã phát hiện ra vật chất dẫn điện với tính năng hoàn toàn không có điện trở, gọi đó là chất siêu dẫn. Thời sơ khai này, người ra mới biết một đặc tính của chất siêu dẫn, đó là: nếu tuyển một dòng điện vào một mạch làm bằng chất liệu siêu dẫn thì dòng điện sẽ chạy trong đó mãi mà không suy giảm, vì nó không gặp một trở kháng nào trên đường đi, nghĩa là năng lượng điện không bị tiêu hao trong quá trình chuyển tải điện từ nơi này sang nơi khác. Đây được coi như một dạng chuyển động vĩnh cửu trong điện năng. Đặc tính trên, được gọi là: Đặc tính riêng thứ nhất của chất siêu dẫn. Tính dẫn điện nghĩa là các điện tử tách ra khỏi nguyên tử của chúng và di chuyển trong. - Ngoài tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao, lớp các vật oxit đồng này còn có những tính chất rất khác thường ngay ở trong trạng thái không siêu dẫn. Hai đặc điểm khác thường này có thể kể đến trạng thái với "hố thế giả" và trạng thái không phải là chất lỏng Fermi, một lý thuyết do Landau đề xuất để giải thích bài toán heli lỏng. - Trong trạng thái bình thường các kim loại và hợp kim được mô tả rất tốt bởi lý thuyết chất lỏng Fermi. Có nghĩa là có thể định nghĩa được trạng thái "chuẩn hạt" (quasi-particle) và từ đó định nghĩa được "mặt Fermi" giống như trong khí Fermi tự do. Nhưng những thí nghiệm ARPES dựa trên hiệu ứng phát xạ photon lại cho thấy các "mặt Fermi" bị suy biến không còn là một mặt liên tục mà lúc này nó trở thành các "túi" rời rạc. Điều đáng chú ý ở đây là không hề có một sự phá vỡ đối xứng nào. - Do đặc điểm các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao hiện nay đều có cùng một cấu trúc gồm các mặt tinh thể oxit đồng, nên các mô hình lý thuyết hiện nay thường tập trung vào giải bài toán của mạng tinh thể oxit đồng trong không gian hai chiều. Mô hình lý thuyết đơn giản nhất được đề ra hiện nay là mô hình Hubbard hai chiều nhằm mô tả cấu trúc tinh thể này. - Cũng giống như hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp, các nhà vật lý lý thuyết cho rằng nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn là do sự xuất hiện các "cặp điện tử Cooper". Các cặp điện tử này không còn tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli và có thể tạm hiểu rằng hai điện tử được liên kết tạo thành một dạng phân tử Bose. Do đó các cặp điện tử này có thể ngưng tụ lại cùng một trạng thái lượng tử ở nhiệt độ thấp hơn một nhiệt độ chuyển pha nào đó, gần giống như hiện tượng ngưng tụ Bose trong vật lý nguyên tử lạnh. Chúng tạo ra một trạng thái lượng tử đồng pha và là nguyên nhân của hiện tượng siêu dẫn. Tuy nhiên, để tạo ra một cặp điện tử Cooper ta cần một tương tác hút hiệu dụng giữa các điện tử, tương tự tương tác "điện tử với phonon" trong lý thuyết BCS. Cho đến này nguyên nhân của tương tác đó vẫn chưa được tìm ra hoặc chưa được tất cả các nhà khoa học cùng đồng tình. - Từ những phát hiện về các tính chất của vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao ở trạng thái không siêu dẫn, một trong những hướng nghiên cứu được quan tâm là xuất phát từ trạng thái cơ bản của hệ oxit đồng khi chưa được cấy các nguyên tử lạ là một "chất cách điện Mott". Ví dụ như lý thuyết RVB của Philip Anderson (đoạt giải thưởng Nobel về vật lý năm 1977) vào những năm 1987, 1988 nhằm giải thích siêu dẫn nhiệt độ cao. Lý thuyết này đề ra một trạng thái cơ bản mới RVB là sự cộng hưởng (hay chồng chập) của tất cả các trạng thái mà trong đó có các liên kết hóa trị giữa các điện tử trên những nút tinh thể kề nhau. Sau này người ta đã chứng minh rằng trạng thái này không phải là trạng thái cơ bản của hệ không cấy nguyên tử lạ. Nhưng trong những năm cuối thập kỉ 1990, Philip Anderson đã hoàn thiện lý thuyết này và cho rằng nồng độ của chất được cấy ghép vào hệ oxit đồng là nguyên nhân khiến trạng thái RVB trở nên bền. - Tuy nhiên cho đến nay chưa một lý thuyết nào đủ hoàn thiện để có thể giải thích đầy đủ các tính chất và cấu trúc của các vật liệu này. Ngoài những tính toán lý thuyết, những phương pháp mô phỏng số cũng đóng một vai trò rất quan trọng. Hiện nay phương pháp DMFT và phiên bản mở rộng của nó CDMFT đang cho nhưng kết quả rất phù hợp với thực nghiệm. II.3. Ứng dụng của vật liệu siêu dẫn : Chuyển tải điện năng Đoàn tầu chạy trên đệm từ Tạo ra Máy gia tốc mạnh Cái ngắt mạch điện từ trong máy tính điện tử siêu tốc Máy quét MRI dùng trong y học