Meissnerjev učinek in njegova uporaba

Meissnerjev učinek ali Meissner-Oxenfeldov učinek je premik magnetnega polja iz pretežnega dela superprevodnika med njegovim prehodom v superprevodno stanje. Ta pojav sta leta 1933 odkrila nemška fizika Walter Meissner in Robert Oxenfeld, ki sta izmerila porazdelitev magnetnega polja zunaj superprevodnih vzorcev kositra in svinca.

Walter Meissner

V poskusu so bili superprevodniki v prisotnosti uporabljenega magnetnega polja ohlajeni pod njihovo temperaturo prehoda v superprevodnost, dokler ni bilo ponastavljeno skoraj vse notranje magnetno polje vzorcev. Učinek so znanstveniki zaznali le posredno, saj se magnetni tok superprevodnika ohrani: ko se magnetno polje znotraj vzorca zmanjša, se zunanje magnetno polje poveča.

Tako je poskus prvič jasno pokazal, da superprevodniki niso le idealni prevodniki, ampak tudi izkazujejo edinstveno lastnost, ki definira superprevodno stanje.Sposobnost premika magnetnega polja je določena z naravo ravnovesja, ki nastane z nevtralizacijo znotraj enote celice superprevodnika.

Za superprevodnik z majhnim magnetnim poljem ali brez njega pravimo, da je v Meissnerjevem stanju. Toda Meissnerjevo stanje se poruši, ko je uporabljeno magnetno polje premočno.

Tukaj je vredno omeniti, da lahko superprevodnike razdelimo v dva razreda, odvisno od tega, kako pride do te kršitve.Pri superprevodnikih prvega tipa se superprevodnost nenadoma prekine, ko jakost uporabljenega magnetnega polja postane višja od kritične vrednosti Hc.

Odvisno od geometrije vzorca je mogoče dobiti vmesno stanje, podobno izjemnemu vzorcu območij običajnega materiala, ki prenaša magnetno polje, pomešanega z območji superprevodnega materiala, kjer ni magnetnega polja.

Pri superprevodnikih tipa II povečanje uporabljene jakosti magnetnega polja na prvo kritično vrednost Hc1 povzroči mešano stanje (znano tudi kot vrtinčno stanje), v katerem vse več magnetnega toka prodira skozi material, vendar ni upora proti električnemu toku razen če ta tok ni previsok.

Pri vrednosti druge kritične trdnosti Hc2 se superprevodno stanje poruši. Mešano stanje povzročajo vrtinci v superfluidni elektronski tekočini, ki jih včasih imenujemo fluksoni (flukson-kvant magnetnega pretoka), ker je tok, ki ga prenašajo ti vrtinci, kvantiziran.

Najčistejši elementarni superprevodniki, z izjemo niobija in ogljikovih nanocevk, so prve vrste, skoraj vse primesi in kompleksni superprevodniki pa druge vrste.

Fenomenološko sta Meissnerjev učinek pojasnila brata Fritz in Heinz London, ki sta pokazala, da je prosta elektromagnetna energija superprevodnika minimizirana pod pogojem:

Ta pogoj se imenuje Londonova enačba. Napovedal je, da magnetno polje v superprevodniku eksponentno upada od vrednosti, ki jo ima na površini.

Če uporabimo šibko magnetno polje, potem superprevodnik izpodrine skoraj ves magnetni tok. To je posledica pojava električnih tokov blizu njegove površine.Magnetno polje površinskih tokov nevtralizira uporabljeno magnetno polje v prostornini superprevodnika. Ker se premik ali dušenje polja s časom ne spreminja, to pomeni, da tokovi, ki ustvarjajo ta učinek (enosmerni tokovi), s časom ne upadajo.

Blizu površine vzorca, znotraj londonske globine, magnetno polje ni popolnoma odsotno. Vsak superprevodni material ima svojo magnetno globino prodiranja.

Vsak popoln prevodnik bo preprečil kakršno koli spremembo magnetnega toka, ki prehaja skozi njegovo površino zaradi normalne elektromagnetne indukcije pri ničelnem uporu. Toda Meissnerjev učinek je drugačen od tega pojava.

Ko se običajni prevodnik ohladi v superprevodno stanje v prisotnosti stalno uporabljenega magnetnega polja, se med tem prehodom magnetni tok izloči. Tega učinka ni mogoče razložiti z neskončno prevodnostjo.

Postavitev in kasnejša levitacija magneta na že superprevodni material ne pokažeta Meissnerjevega učinka, medtem ko se Meissnerjev učinek pokaže, če prvotno mirujoči magnet kasneje odbije superprevodnik, ohlajen na kritično temperaturo.

V Meissnerjevem stanju superprevodniki kažejo popoln diamagnetizem ali superdiamagnetizem. To pomeni, da je skupno magnetno polje zelo blizu ničle globoko v njih, na veliki razdalji navznoter od površine. Magnetna občutljivost -1.

Diamagnetizem je opredeljen z ustvarjanjem spontane magnetizacije materiala, ki je ravno nasprotna smeri zunanjega magnetnega polja. Toda temeljni izvor diamagnetizma v superprevodnikih in običajnih materialih je zelo različen.

V običajnih materialih se diamagnetizem pojavi kot neposredna posledica elektromagnetno inducirane orbitalne rotacije elektronov okoli atomskih jeder, ko je uporabljeno zunanje magnetno polje. Pri superprevodnikih nastane iluzija popolnega diamagnetizma zaradi stalnih zaščitnih tokov, ki tečejo proti uporabljenemu polju (sam Meissnerjev učinek), ne le zaradi orbitalnega vrtenja.

Odkritje Meissnerjevega učinka je leta 1935 vodilo do fenomenološke teorije superprevodnosti Fritza in Heinza Londona. Ta teorija pojasnjuje izginotje odpornosti in Meissnerjev učinek. To nam je omogočilo prve teoretične napovedi o superprevodnosti.

Vendar pa ta teorija le pojasnjuje eksperimentalna opažanja, vendar ne omogoča identifikacije makroskopskega izvora superprevodnih lastnosti.To je kasneje, leta 1957, uspešno naredila Bardeen-Cooper-Schrieferjeva teorija, iz katere sledita globina prodiranja in Meissnerjev učinek. Vendar pa nekateri fiziki trdijo, da Bardeen-Cooper-Schriefferjeva teorija ne pojasnjuje Meissnerjevega učinka.

Meissnerjev učinek se uporablja po naslednjem principu. Ko temperatura superprevodnega materiala preseže kritično vrednost, se magnetno polje okoli njega nenadoma spremeni, kar povzroči ustvarjanje impulza EMF v tuljavi, naviti okoli takega materiala. In ko se spremeni tok krmilne tuljave, je mogoče nadzorovati magnetno stanje materiala. Ta pojav se uporablja za merjenje ultrašibkih magnetnih polj s pomočjo posebnih senzorjev.

Kriotron je preklopna naprava, ki temelji na Meissnerjevem učinku. Strukturno je sestavljen iz dveh superprevodnikov. Niobijeva tuljava je navita okoli tantalove palice, skozi katero teče krmilni tok.

Ko se krmilni tok poveča, se jakost magnetnega polja poveča in tantal preide iz superprevodnega stanja v navadno stanje.V tem primeru se prevodnost tantalove žice in delovni tok v krmilnem vezju spremenita nelinearno. način. Na podlagi kriotronov so na primer ustvarjeni krmiljeni ventili.