Meissnerov efekt i njegova primjena

Meissnerov efekt ili Meissner-Oxenfeldov efekt sastoji se u istiskivanju magnetskog polja iz mase supravodiča tijekom njegovog prijelaza u supravodljivo stanje. Ovaj fenomen su 1933. godine otkrili njemački fizičari Walter Meissner i Robert Oxenfeld, koji su mjerili distribuciju magnetskog polja izvan supravodljivih uzoraka kositra i olova.

Walter Meissner

U eksperimentu su supravodiči, u prisutnosti primijenjenog magnetskog polja, ohlađeni ispod temperature prijelaza u supravodljivo stanje sve dok se gotovo cijelo unutarnje magnetsko polje uzoraka nije resetiralo. Učinak su znanstvenici otkrili samo neizravno, jer je magnetski tok supravodiča sačuvan: kada se magnetsko polje unutar uzorka smanjuje, vanjsko magnetsko polje se povećava.

Stoga je eksperiment po prvi put jasno pokazao da supravodič nisu samo idealni vodiči, već pokazuju i jedinstveno definirajuće svojstvo supravodljivog stanja.Sposobnost pomicanja magnetskog polja određena je prirodom ravnoteže koja nastaje neutralizacijom unutar jedinične ćelije supravodiča.

Za supravodič s malim ili nikakvim magnetskim poljem kaže se da je u Meissnerovom stanju. Ali Meissnerovo stanje se pokvari kada je primijenjeno magnetsko polje prejako.

Ovdje je vrijedno napomenuti da se supravodiči mogu podijeliti u dvije klase ovisno o tome kako dolazi do ovog poremećaja. U supravodičima prvog tipa supravodljivost se naglo naruši kada jakost primijenjenog magnetskog polja postane veća od kritične vrijednosti Hc.

Ovisno o geometriji uzorka, može se dobiti srednje stanje, slično izvrsnom uzorku područja normalnog materijala koji nose magnetsko polje pomiješanih s područjima supravodljivog materijala u kojima nema magnetskog polja.

U supravodičima tipa II, povećanje primijenjene jakosti magnetskog polja do prve kritične vrijednosti Hc1 dovodi do mješovitog stanja (također poznatog kao vrtložno stanje), u kojem sve više i više magnetskog toka prodire kroz materijal, ali nema otpora električnoj struji osim ako ova struja nije prevelika.

Pri vrijednosti druge kritične čvrstoće Hc2 supravodljivo stanje se uništava. Mješovito stanje uzrokovano je vrtlozima u superfluidnom elektronskom fluidu, koji se ponekad nazivaju fluksoni (fluxon-kvant magnetskog toka) jer je tok koji prenose ti vrtlozi kvantiziran.

Najčišći elementarni supravodiči, s iznimkom niobija i ugljikovih nanocijevi, su prve vrste, dok su gotovo sve nečistoće i složeni supravodiči druge vrste.

Fenomenološki, Meissnerov efekt objasnila su braća Fritz i Heinz London, koji su pokazali da je elektromagnetska slobodna energija supravodiča minimizirana pod uvjetom:

Taj se uvjet naziva Londonova jednadžba. Predvidio je da magnetsko polje u supravodiču eksponencijalno opada u odnosu na vrijednost koju ima na površini.

Ako se primijeni slabo magnetsko polje, tada supravodič istiskuje gotovo sav magnetski tok. To je zbog pojave električnih struja u blizini njegove površine.Magnetsko polje površinskih struja neutralizira primijenjeno magnetsko polje unutar volumena supravodiča. Budući da se pomak ili potiskivanje polja ne mijenja tijekom vremena, to znači da struje koje stvaraju ovaj učinak (istosmjerne struje) ne opadaju tijekom vremena.

U blizini površine uzorka, unutar londonske dubine, magnetsko polje nije potpuno odsutno. Svaki supravodljivi materijal ima vlastitu magnetsku dubinu prodiranja.

Svaki savršeni vodič spriječit će bilo kakvu promjenu magnetskog toka koji prolazi kroz njegovu površinu zbog normalne elektromagnetske indukcije pri nultom otporu. Ali Meissnerov efekt je drugačiji od ovog fenomena.

Kada se konvencionalni vodič ohladi u supravodljivo stanje u prisutnosti stalno primijenjenog magnetskog polja, magnetski tok se izbacuje tijekom ovog prijelaza. Taj se učinak ne može objasniti beskonačnom vodljivošću.

Postavljanje i kasnija levitacija magneta na materijal koji je već supravodljiv ne pokazuje Meissnerov učinak, dok se Meissnerov učinak pokazuje ako prvobitno stacionarni magnet kasnije odbija supravodič ohlađen na kritičnu temperaturu.

U Meissnerovom stanju supravodiči pokazuju savršen dijamagnetizam ili superdijamagnetizam. To znači da je ukupno magnetsko polje vrlo blizu nule duboko u njima, na velikoj udaljenosti prema unutra od površine. Magnetska osjetljivost -1.

Dijamagnetizam je definiran stvaranjem spontane magnetizacije materijala koja je točno suprotna od smjera izvana primijenjenog magnetskog polja. Ali temeljno podrijetlo dijamagnetizma u supravodičima i normalnim materijalima vrlo je različito.

U običnim materijalima dijamagnetizam se javlja kao izravna posljedica elektromagnetski inducirane orbitalne rotacije elektrona oko atomskih jezgri kada se primijeni vanjsko magnetsko polje. U supravodičima, iluzija savršenog dijamagnetizma nastaje zbog stalnih zaštitnih struja koje teku protiv primijenjenog polja (sam Meissnerov efekt), a ne samo zbog orbitalne vrtnje.

Otkriće Meissnerovog efekta dovelo je 1935. do fenomenološke teorije supravodljivosti Fritza i Heinza Londona. Ova teorija objašnjava nestanak otpora i Meissnerov učinak. To nam je omogućilo da napravimo prva teorijska predviđanja o supravodljivosti.

Međutim, ova teorija samo objašnjava eksperimentalna opažanja, ali ne dopušta identifikaciju makroskopskog podrijetla supravodljivih svojstava.To je kasnije, 1957. godine, uspješno učinjeno Bardeen-Cooper-Schrieferovom teorijom iz koje proizlaze i dubina prodiranja i Meissnerov efekt. Međutim, neki fizičari tvrde da Bardeen-Cooper-Schriefferova teorija ne objašnjava Meissnerov učinak.

Meissnerov učinak primjenjuje se prema sljedećem principu. Kada temperatura supravodljivog materijala prijeđe kritičnu vrijednost, magnetsko polje oko njega se naglo mijenja, što rezultira stvaranjem EMF impulsa u zavojnici omotanoj oko takvog materijala. A kada se struja kontrolne zavojnice promijeni, može se kontrolirati magnetsko stanje materijala. Ovaj se fenomen koristi za mjerenje ultraslabih magnetskih polja pomoću posebnih senzora.

Kriotron je sklopni uređaj koji se temelji na Meissnerovom efektu. Strukturno se sastoji od dva supravodiča. Niobijeva zavojnica omotana je oko tantalske šipke kroz koju teče upravljačka struja.

Povećanjem upravljačke struje povećava se jakost magnetskog polja i tantal prelazi iz supravodljivog stanja u obično stanje.U tom se slučaju vodljivost tantalove žice i radna struja u upravljačkom krugu mijenjaju nelinearno. način. Na temelju kriotrona, na primjer, stvaraju se kontrolirani ventili.