Meissnerov efekt a jeho využitie

Meissnerov jav alebo Meissnerov-Oxenfeldov jav spočíva vo vytesnení magnetického poľa z objemu supravodiča pri jeho prechode do supravodivého stavu. Tento jav objavili v roku 1933 nemeckí fyzici Walter Meissner a Robert Oxenfeld, ktorí zmerali rozloženie magnetického poľa mimo supravodivých vzoriek cínu a olova.

Walter Meissner

V experimente boli supravodiče v prítomnosti aplikovaného magnetického poľa ochladzované pod ich teplotu supravodivého prechodu, kým sa takmer všetky vnútorné magnetické pole vzoriek nevynulovali. Účinok vedci zistili len nepriamo, pretože magnetický tok supravodiča je zachovaný: keď sa magnetické pole vo vnútri vzorky zníži, vonkajšie magnetické pole sa zvýši.

Experiment teda po prvý raz jasne ukázal, že supravodiče nie sú len ideálne vodiče, ale demonštrujú aj jedinečnú definujúcu vlastnosť supravodivého stavu.Schopnosť posunúť magnetické pole je určená povahou rovnováhy vytvorenej neutralizáciou vo vnútri základnej bunky supravodiča.

Supravodič s malým alebo žiadnym magnetickým poľom je údajne v Meissnerovom stave. Meissnerov stav sa však rozpadne, keď je aplikované magnetické pole príliš silné.

Tu stojí za zmienku, že supravodiče možno rozdeliť do dvoch tried podľa toho, ako k tomuto porušeniu dochádza.V supravodičoch prvého typu dochádza k prudkému narušeniu supravodivosti, keď je sila aplikovaného magnetického poľa vyššia ako kritická hodnota Hc .

V závislosti od geometrie vzorky možno získať prechodný stav, podobný nádhernému vzoru oblastí normálneho materiálu nesúceho magnetické pole zmiešané s oblasťami supravodivého materiálu, kde nie je žiadne magnetické pole.

V supravodičoch typu II vedie zvýšenie aplikovanej intenzity magnetického poľa na prvú kritickú hodnotu Hc1 k zmiešanému stavu (tiež známemu ako vírový stav), v ktorom stále viac magnetického toku preniká materiálom, ale neexistuje žiadny odpor voči elektrickému prúdu. pokiaľ tento prúd nie je príliš vysoký.

Pri hodnote druhej kritickej pevnosti Hc2 je supravodivý stav zničený. Zmiešaný stav je spôsobený vírmi v supratekutej elektrónovej tekutine, ktoré sa niekedy nazývajú fluxóny (fluxón-kvantum magnetického toku), pretože tok prenášaný týmito vírmi je kvantovaný.

Najčistejšie elementárne supravodiče, s výnimkou nióbu a uhlíkových nanorúrok, sú prvého typu, zatiaľ čo takmer všetky nečistoty a zložité supravodiče sú druhého typu.

Fenomenologicky Meissnerov efekt vysvetlili bratia Fritz a Heinz London, ktorí ukázali, že elektromagnetická voľná energia supravodiča je minimalizovaná za podmienky:

Táto podmienka sa nazýva Londonova rovnica. Predpovedal, že magnetické pole v supravodiči klesá exponenciálne od akejkoľvek hodnoty, ktorú má na povrchu.

Ak sa aplikuje slabé magnetické pole, potom supravodič vytlačí takmer celý magnetický tok. Je to spôsobené výskytom elektrických prúdov v blízkosti jeho povrchu Magnetické pole povrchových prúdov neutralizuje aplikované magnetické pole vo vnútri objemu supravodiča. Keďže posunutie alebo potlačenie poľa sa v priebehu času nemení, znamená to, že prúdy vytvárajúce tento efekt (jednosmerné prúdy) časom neubúdajú.

V blízkosti povrchu vzorky, v londýnskej hĺbke, magnetické pole úplne chýba. Každý supravodivý materiál má svoju vlastnú magnetickú hĺbku prieniku.

Akýkoľvek dokonalý vodič zabráni akejkoľvek zmene magnetického toku prechádzajúceho jeho povrchom v dôsledku bežnej elektromagnetickej indukcie pri nulovom odpore. Meissnerov efekt je však odlišný od tohto javu.

Keď sa konvenčný vodič ochladí do supravodivého stavu v prítomnosti permanentne aplikovaného magnetického poľa, magnetický tok sa počas tohto prechodu vyhodí. Tento efekt nemožno vysvetliť nekonečnou vodivosťou.

Umiestnenie a následná levitácia magnetu na už supravodivom materiáli nevykazuje Meissnerov efekt, zatiaľ čo Meissnerov efekt sa prejavuje, ak je pôvodne stacionárny magnet neskôr odpudzovaný supravodičom ochladeným na kritickú teplotu.

V Meissnerovom stave vykazujú supravodiče dokonalý diamagnetizmus alebo superdiamagnetizmus. To znamená, že celkové magnetické pole je hlboko v nich veľmi blízko nule, čo je veľká vzdialenosť smerom dovnútra od povrchu. Magnetická susceptibilita -1.

Diamagnetizmus je definovaný generovaním spontánnej magnetizácie materiálu, ktorá je presne opačná k smeru externe aplikovaného magnetického poľa, ale základný pôvod diamagnetizmu v supravodičoch a normálnych materiáloch je veľmi odlišný.

V bežných materiáloch sa diamagnetizmus vyskytuje ako priamy dôsledok elektromagneticky indukovanej orbitálnej rotácie elektrónov okolo atómových jadier, keď je aplikované vonkajšie magnetické pole. V supravodičoch vzniká ilúzia dokonalého diamagnetizmu kvôli konštantným tieniacim prúdom, ktoré prúdia proti aplikovanému poľu (samotný Meissnerov efekt), nielen kvôli orbitálnemu spinu.

Objav Meissnerovho javu viedol v roku 1935 k fenomenologickej teórii supravodivosti od Fritza a Heinza Londonových. Táto teória vysvetľuje zánik odporu a Meissnerov efekt. To nám umožnilo urobiť prvé teoretické predpovede o supravodivosti.

Táto teória však vysvetľuje len experimentálne pozorovania, ale neumožňuje identifikovať makroskopický pôvod supravodivých vlastností.To sa podarilo neskôr, v roku 1957, teóriou Bardeen-Cooper-Schriefer, z ktorej vyplýva hĺbka prieniku aj Meissnerov efekt. Niektorí fyzici však tvrdia, že Bardeen-Cooper-Schriefferova teória nevysvetľuje Meissnerov efekt.

Meissnerov efekt sa aplikuje podľa nasledujúceho princípu. Keď teplota supravodivého materiálu prekročí kritickú hodnotu, magnetické pole okolo neho sa náhle zmení, čo vedie k vytvoreniu EMF impulzu v cievke navinutej okolo takéhoto materiálu. A keď sa zmení prúd riadiacej cievky, možno ovládať magnetický stav materiálu. Tento jav sa využíva na meranie ultraslabých magnetických polí pomocou špeciálnych senzorov.

Kryotrón je spínacie zariadenie založené na Meissnerovom efekte. Štrukturálne pozostáva z dvoch supravodičov. Nióbová cievka je navinutá okolo tantalovej tyče, cez ktorú preteká riadiaci prúd.

Pri zvyšovaní riadiaceho prúdu sa zvyšuje sila magnetického poľa a tantal prechádza zo supravodivého stavu do bežného stavu.V tomto prípade sa vodivosť tantalového drôtu a prevádzkový prúd v riadiacom obvode menia nelineárne. spôsobom. Na báze kryotrónov vznikajú napríklad riadené ventily.