Meisnerio efektas ir jo panaudojimas

Meisnerio efektas arba Meissner-Oxenfeld efektas susideda iš magnetinio lauko poslinkio iš didžiosios dalies superlaidininko jo pereinant į superlaidumo būseną. Šį reiškinį 1933 metais atrado vokiečių fizikai Walteris Meissneris ir Robertas Oxenfeldas, išmatavę magnetinio lauko pasiskirstymą už superlaidžių alavo ir švino pavyzdžių.

Walteris Meisneris

Eksperimento metu superlaidininkai, esant pritaikytam magnetiniam laukui, buvo atšaldomi žemiau jų superlaidumo pereinamosios temperatūros, kol buvo iš naujo nustatytas beveik visas mėginių vidinis magnetinis laukas. Poveikį mokslininkai aptiko tik netiesiogiai, nes išsaugomas superlaidininko magnetinis srautas: mažėjant magnetiniam laukui mėginio viduje, didėja išorinis magnetinis laukas.

Taigi eksperimentas pirmą kartą aiškiai parodė, kad superlaidininkai yra ne tik idealūs laidininkai, bet ir parodo unikalią superlaidžios būsenos savybę.Gebėjimą perkelti magnetinį lauką lemia pusiausvyros, susidariusios neutralizuojant superlaidininko vienetinio elemento viduje, pobūdis.

Sakoma, kad superlaidininkas, turintis mažą magnetinį lauką arba jo neturintis, yra Meisnerio būsenoje. Tačiau Meisnerio būsena sugenda, kai taikomas magnetinis laukas yra per stiprus.

Čia verta paminėti, kad superlaidininkus galima suskirstyti į dvi klases, priklausomai nuo to, kaip šis pažeidimas atsiranda.Pirmojo tipo superlaidininkuose superlaidumas staigiai pažeidžiamas, kai taikomo magnetinio lauko stipris tampa didesnis už kritinę reikšmę Hc .

Atsižvelgiant į mėginio geometriją, galima gauti tarpinę būseną, panašią į išskirtinį normalios medžiagos sričių, turinčių magnetinį lauką, sumaišytą su superlaidžios medžiagos sritimis, kuriose nėra magnetinio lauko, modelį.

II tipo superlaidininkuose padidinus taikomo magnetinio lauko stiprumą iki pirmosios kritinės vertės Hc1, susidaro mišri būsena (taip pat žinoma kaip sūkurinė būsena), kai į medžiagą prasiskverbia vis daugiau magnetinio srauto, tačiau nėra atsparumo elektros srovei. nebent ši srovė ne per didelė.

Esant antrojo kritinio stiprio Hc2 vertei, superlaidžioji būsena sunaikinama. Mišrią būseną sukelia sūkuriai superskystame elektronų skystyje, kurie kartais vadinami fluxonais (magnetinio srauto srauto kvantu), nes šių sūkurių nešamas srautas yra kvantuojamas.

Gryniausi elementų superlaidininkai, išskyrus niobio ir anglies nanovamzdelius, yra pirmojo tipo, o beveik visos priemaišos ir sudėtingi superlaidininkai yra antrojo tipo.

Fenomenologiškai Meissnerio efektą paaiškino broliai Fritzas ir Heinzas Londonas, kurie parodė, kad laisva elektromagnetinė superlaidininko energija yra sumažinta esant sąlygoms:

Ši sąlyga vadinama Londono lygtimi. Jis numatė, kad superlaidininko magnetinis laukas eksponentiškai nyksta nuo bet kokios jo vertės paviršiuje.

Jei veikia silpnas magnetinis laukas, superlaidininkas išstumia beveik visą magnetinį srautą. Taip yra dėl elektros srovių atsiradimo šalia jo paviršiaus.Paviršinių srovių magnetinis laukas neutralizuoja taikomą magnetinį lauką superlaidininko tūrio viduje. Kadangi lauko poslinkis ar slopinimas laikui bėgant nekinta, tai reiškia, kad šį efektą sukuriančios srovės (nuolatinės srovės) laikui bėgant nesumažėja.

Netoli mėginio paviršiaus, Londono gylyje, magnetinio lauko visiškai nėra. Kiekviena superlaidžioji medžiaga turi savo magnetinio įsiskverbimo gylį.

Bet koks tobulas laidininkas neleis bet kokiam magnetinio srauto, einančio per jo paviršių, pokyčiui dėl normalios elektromagnetinės indukcijos esant nuliniam pasipriešinimui. Tačiau Meissnerio efektas skiriasi nuo šio reiškinio.

Kai įprastas laidininkas atšaldomas iki superlaidžios būsenos esant nuolat veikiančiam magnetiniam laukui, šio perėjimo metu magnetinis srautas išmetamas. Šio poveikio negalima paaiškinti begaliniu laidumu.

Magneto uždėjimas ir vėlesnis levitavimas ant jau superlaidžios medžiagos nerodo Meisnerio efekto, tuo tarpu Meisnerio efektas pasireiškia, jei iš pradžių nejudantį magnetą vėliau atstumia superlaidininkas, atšaldytas iki kritinės temperatūros.

Meisnerio būsenoje superlaidininkai pasižymi tobulu diamagnetizmu arba superdiamagnetizmu. Tai reiškia, kad bendras magnetinis laukas yra labai artimas nuliui giliai jų viduje, dideliu atstumu į vidų nuo paviršiaus. Magnetinis jautrumas -1.

Diamagnetizmas apibrėžiamas medžiagos savaiminio įmagnetinimo generavimu, kuris yra visiškai priešingas išoriškai veikiančio magnetinio lauko krypčiai, tačiau pagrindinė superlaidininkių ir normalių medžiagų diamagnetizmo kilmė labai skiriasi.

Įprastose medžiagose diamagnetizmas atsiranda dėl tiesioginio elektromagnetiniu būdu sukelto elektronų sukimosi orbitoje aplink atomo branduolius, kai veikia išorinis magnetinis laukas. Superlaidininkuose tobulo diamagnetizmo iliuzija atsiranda dėl nuolatinių ekranavimo srovių, tekančių prieš taikomą lauką (pats Meisnerio efektas), o ne tik dėl orbitos sukimosi.

Meisnerio efekto atradimas 1935 metais paskatino Fritzo ir Heinzo Londono fenomenologinę superlaidumo teoriją. Ši teorija paaiškina pasipriešinimo ir Meisnerio efekto išnykimą. Tai leido mums padaryti pirmąsias teorines superlaidumo prognozes.

Tačiau ši teorija tik paaiškina eksperimentinius stebėjimus, bet neleidžia nustatyti superlaidžių savybių makroskopinės kilmės.Tai buvo sėkmingai padaryta vėliau, 1957 m., Bardeen-Cooper-Schriefer teorija, iš kurios išplaukia ir įsiskverbimo gylis, ir Meissnerio efektas. Tačiau kai kurie fizikai teigia, kad Bardeen-Cooper-Schrieffer teorija nepaaiškina Meissner efekto.

Meisnerio efektas taikomas tokiu principu. Kai superlaidžios medžiagos temperatūra viršija kritinę vertę, aplink ją esantis magnetinis laukas staigiai pasikeičia, todėl aplink tokią medžiagą apvyniotoje ritėje susidaro EML impulsas. O kai keičiasi valdymo ritės srovė, galima valdyti medžiagos magnetinę būseną. Šis reiškinys naudojamas matuojant itin silpnus magnetinius laukus naudojant specialius jutiklius.

Kriotronas yra perjungimo įrenginys, pagrįstas Meissner efektu. Struktūriškai jis susideda iš dviejų superlaidininkų. Aplink tantalo strypą suvyniota niobio ritė, per kurią teka valdymo srovė.

Didėjant valdymo srovei, magnetinio lauko stipris didėja ir tantalas pereina iš superlaidžios būsenos į įprastą.Tokiu atveju tantalo laido laidumas ir darbo srovė valdymo grandinėje keičiasi netiesiškai. būdas. Pavyzdžiui, kriotronų pagrindu sukuriami valdomi vožtuvai.