تأثير مايسنر

تأثير مايسنر هو إزاحة كاملة للحقل المغناطيسي من حجم الموصل أثناء انتقاله إلى حالة التوصيل الفائق. عندما يتم تبريد موصل فائق في مجال مغناطيسي خارجي ثابت ، في لحظة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق ، يتم إزاحة المجال المغناطيسي تمامًا من حجمه. هذه هي الطريقة التي يختلف بها الموصل الفائق عن الموصل المثالي ، حيث عندما تنخفض المقاومة إلى الصفر ، يجب أن يظل تحريض المجال المغناطيسي في الحجم دون تغيير.

يتيح لنا عدم وجود مجال مغناطيسي في حجم الموصل أن نستنتج من القوانين العامة للمجال المغناطيسي أن التيار السطحي فقط موجود فيه. إنه حقيقي ماديًا وبالتالي يحتل طبقة رقيقة بالقرب من السطح. يدمر المجال المغناطيسي للتيار المجال المغناطيسي الخارجي داخل الموصل الفائق. في هذا الصدد ، يتصرف الموصل الفائق رسميًا كمغناطيس مثالي. ومع ذلك ، فهي ليست مغناطيسية ، لأن المغنطة بداخلها تساوي صفرًا.

نظرية الموصلية الفائقة

في درجات حرارة منخفضة للغاية ، يكون لعدد من المواد مقاومة أقل بمقدار 10-12 مرة من درجة حرارة الغرفة. تظهر التجارب أنه إذا قمت بإنشاء تيار في دائرة مغلقة من الموصلات الفائقة ، فإن هذا التيار يستمر في الدوران بدون مصدر EMF. تستمر تيارات فوكو في الموصلات الفائقة لفترة طويلة جدًا ولا تتحلل بسبب عدم وجود حرارة جول (تستمر التيارات حتى 300 أمبير في التدفق لعدة ساعات متتالية). أظهرت دراسة مرور التيار عبر عدد من الموصلات المختلفة أن مقاومة التلامسات بين الموصلات الفائقة تساوي أيضًا صفرًا. السمة المميزة للناقلية الفائقة هي غياب ظاهرة هول. بينما في الموصلات العادية ، تحت تأثير المجال المغناطيسي ، يتم إزاحة التيار في المعدن ، في الموصلات الفائقة هذه الظاهرة غائبة. التيار في الموصل الفائق ثابت في مكانه. تختفي الموصلية الفائقة تحت تأثير العوامل التالية:

• 1) ارتفاع درجة الحرارة.
• 2) عمل مجال مغناطيسي قوي بما فيه الكفاية ؛
• 3) كثافة تيار عالية بدرجة كافية في العينة ؛

مع ارتفاع درجة الحرارة ، تظهر مقاومة أوم ملحوظة فجأة تقريبًا. يكون الانتقال من الموصلية الفائقة إلى الموصلية أكثر حدة وأكثر وضوحًا ، وكلما كانت العينة أكثر تجانسًا (لوحظ الانتقال الأكثر انحدارًا في البلورات المفردة). يمكن إجراء الانتقال من حالة التوصيل الفائق إلى الحالة الطبيعية عن طريق زيادة المجال المغناطيسي عند درجة حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة.

في عام 1913. قرر الفيزيائيان الألمان Meissner و Ochsenfeld اختبارًا تجريبيًا لكيفية توزيع المجال المغناطيسي حول موصل فائق. كانت النتيجة غير متوقعة. بغض النظر عن ظروف التجربة ، فإن المجال المغناطيسي لم يخترق الموصل. كانت الحقيقة المذهلة هي أن الموصل الفائق الذي يبرد تحت درجة الحرارة الحرجة في مجال مغناطيسي ثابت يدفع هذا المجال تلقائيًا خارج حجمه ، ويمر إلى حالة يكون فيها الحث المغناطيسي B = 0 ، أي. حالة النفاذية المغناطيسية المثالية. تسمى هذه الظاهرة بتأثير مايسنر.

يعتقد الكثيرون أن تأثير مايسنر هو الخاصية الأساسية للموصلات الفائقة. في الواقع ، إن وجود مقاومة صفرية يتبع حتماً من هذا التأثير. بعد كل شيء ، تيارات الغربلة السطحية ثابتة في الوقت المناسب ولا تضعف في مجال مغناطيسي غير قابل للقياس. في الطبقة السطحية الرقيقة للموصل الفائق ، تخلق هذه التيارات مجالها المغناطيسي الخاص بها ، والذي يكون مساويًا تمامًا ومعاكسًا للحقل الخارجي. في الموصل الفائق ، يُضاف هذان المجالان المغنطيسيان المتعاكسان بحيث يصبح الحقل المغناطيسي الكلي مساوياً للصفر ، على الرغم من وجود شروط المجال معًا ، وبالتالي يتحدثان عن تأثير "دفع" المجال المغناطيسي الخارجي خارج الموصل الفائق .

دع الموصل المثالي في الحالة الأولية يبرد تحت درجة الحرارة الحرجة ولا يوجد مجال مغناطيسي خارجي. دعونا الآن نقدم مثل هذا الموصل المثالي في مجال مغناطيسي خارجي. الحقل في العينة ليس كذلك يخترق ، والذي يظهر بشكل تخطيطي في الشكل. 1 . فور ظهور مجال خارجي ، ينشأ تيار على سطح موصل مثالي ، مما يخلق ، وفقًا لقاعدة لينز ، مجاله المغناطيسي الخاص الموجه عكس المجال المطبق ، وسيكون الحقل الكلي في العينة مساويًا للصفر .

يمكن إثبات ذلك باستخدام معادلات ماكسويل. عند تغيير الحث الخامسيجب أن يظهر حقل كهربائي E داخل العينة:

أين مع - سرعة الضوء في الفراغ. ولكن في الموصل المثالي R = 0 ، منذ ذلك الحين

ه = جيس,

حيث c هي المقاومة ، والتي في حالتنا تساوي الصفر ، يهي كثافة التيار المستحث. ومن ثم يتبع ذلك ب= const ، ولكن منذ ذلك الحين قبل إدخال النمط في الحقل الخامس= 0 ، فمن الواضح أن الخامس= 0 وبعد الدخول في الميدان. يمكن أيضًا تفسير ذلك على النحو التالي: نظرًا لأن c = 0 ، فإن وقت تغلغل المجال المغناطيسي في موصل مثالي لا نهائي.

لذلك ، فإن الموصل المثالي الذي يتم إدخاله في مجال مغناطيسي خارجي له الخامس= 0 في أي نقطة في العينة. ومع ذلك ، فإن نفس الحالة (موصل مثالي في تي<تي مع في مجال مغناطيسي خارجي) بطريقة أخرى: أولاً ، قم بتطبيق مجال خارجي على عينة "دافئة" ، ثم بردها إلى درجة حرارة تي<تي مع .

تتنبأ الديناميكا الكهربية بنتيجة مختلفة تمامًا عن موصل مثالي. في الواقع ، العينة في T> T. مع لديه مقاومة ويخترقها المجال المغناطيسي جيدًا. بعد تبريده أدناه تي مع سيبقى الحقل في العينة. هذا الوضع مبين في الشكل. 2.

وهكذا ، بالإضافة إلى المقاومة الصفرية ، تتمتع الموصلات الفائقة بخاصية أساسية أخرى - النفاذية المغناطيسية المثالية. يرتبط اختفاء المجال المغناطيسي بالداخل بظهور التيارات السطحية الثابتة في الموصل الفائق. لكن المجال المغناطيسي لا يمكن دفعه بالكامل ، لأن هذا يعني أن المجال المغناطيسي على السطح ينخفض ​​فجأة من قيمة محدودة الخامسإلى الصفر. لهذا ، من الضروري أن يتدفق تيار ذو كثافة غير محدودة على السطح ، وهو أمر مستحيل. وبالتالي ، يخترق المجال المغناطيسي بعمق في الموصل الفائق ، إلى عمق معين n.

لوحظ تأثير Meissner-Oxenfeld فقط في الحقول الضعيفة. مع زيادة شدة المجال المغناطيسي إلى قيمة ح سمتم تدمير حالة التوصيل الفائق. هذا المجال يسمى حرج ح سمالعلاقة بين المجال المغناطيسي الحرج ودرجة الحرارة الحرجة موصوفة بشكل جيد بواسطة الصيغة التجريبية (6).

ح سم (T) =ح سم (0) [1- (T / T ج ) 2 ] (6)

أين ح سم (0) - المجال الحرج مستقراء إلى الصفر المطلق .

يظهر الرسم البياني لهذا الاعتماد في الشكل 3. يمكن اعتبار هذا الرسم البياني أيضًا كمخطط طور ، حيث تتوافق كل نقطة من الجزء الرمادي مع حالة التوصيل الفائق ، والمنطقة البيضاء - مع الحالة الطبيعية.

وفقًا لطبيعة تغلغل المجال المغناطيسي ، تنقسم الموصلات الفائقة إلى موصلات فائقة من النوع الأول والثاني. في الموصل الفائق من النوع الأول ، لا يخترق المجال المغناطيسي حتى تصل شدة المجال إلى القيمة ح سم... إذا تجاوز الحقل القيمة الحرجة ، يتم تدمير حالة الموصلية الفائقة ويخترق الحقل تمامًا في العينة. تشمل الموصلات الفائقة من النوع الأول جميع العناصر الكيميائية للموصلات الفائقة ، باستثناء النيوبيوم.

لقد تم حساب أن بعض العمل يتم عندما ينتقل المعدن من الطبيعي إلى الموصلية الفائقة. ما هو بالضبط مصدر هذا العمل؟ حقيقة أن الموصل الفائق طاقة أقل من نفس المعدن في حالته الطبيعية.

من الواضح أن الموصل الفائق يمكنه تحمل "رفاهية" تأثير مايسنر بسبب زيادة الطاقة. سيحدث الدفع خارج المجال المغناطيسي طالما أن الزيادة في الطاقة المرتبطة بهذه الظاهرة يتم تعويضها من خلال انخفاض أكثر فعالية في الطاقة المرتبطة بانتقال المعدن إلى حالة التوصيل الفائق. في المجالات المغناطيسية الكافية ، ليست حالة الموصلية الفائقة هي الأكثر ملاءمة من الناحية النشطة ، ولكن الحالة الطبيعية ، التي يخترق فيها المجال بحرية في العينة.

المقاومة الصفرية ليست الميزة الوحيدة للناقلية الفائقة. أحد الاختلافات الرئيسية بين الموصلات الفائقة والموصلات المثالية هو تأثير مايسنر ، الذي اكتشفه والتر ميسنر وروبرت أوشسينفيلد في عام 1933.

يتمثل تأثير مايسنر في "دفع" المجال المغناطيسي خارج الجزء الذي يشغله الموصل الفائق من الفضاء. يحدث هذا بسبب وجود تيارات ثابتة داخل الموصل الفائق ، والتي تخلق مجالًا مغناطيسيًا داخليًا معاكسًا وتعوض المجال المغناطيسي الخارجي المطبق.

عندما يتم تبريد موصل فائق في مجال مغناطيسي خارجي ثابت ، في لحظة الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة ، يتم إزاحة المجال المغناطيسي تمامًا من حجمه. هذه هي الطريقة التي يختلف بها الموصل الفائق عن الموصل المثالي ، حيث عندما تنخفض المقاومة إلى الصفر ، يجب أن يظل تحريض المجال المغناطيسي في الحجم دون تغيير.

يتيح لنا عدم وجود مجال مغناطيسي في حجم الموصل أن نستنتج من القوانين العامة للمجال المغناطيسي أن التيار السطحي فقط موجود فيه. إنه حقيقي ماديًا وبالتالي يحتل طبقة رقيقة بالقرب من السطح. يدمر المجال المغناطيسي للتيار المجال المغناطيسي الخارجي داخل الموصل الفائق. في هذا الصدد ، يتصرف الموصل الفائق رسميًا كمغناطيس مثالي. ومع ذلك ، فهي ليست مغناطيسية ، منذ ذلك الحين بداخله ، المغنطة تساوي صفرًا.

تم شرح تأثير مايسنر لأول مرة من قبل الأخوين فريتز وهاينز لندن. أظهروا أنه في الموصل الفائق ، يخترق المجال المغناطيسي إلى عمق ثابت من السطح - عمق اختراق لندن للمجال المغناطيسي λ ... للمعادن ل ~ 10 -2 ميكرومتر.

المواد النقية التي لوحظت فيها ظاهرة الموصلية الفائقة قليلة. في كثير من الأحيان ، تحدث الموصلية الفائقة في السبائك. بالنسبة للمواد النقية ، يحدث تأثير Meissner الكامل ، بينما بالنسبة للسبائك لا يوجد طرد كامل للمجال المغناطيسي من الحجم (تأثير Meissner الجزئي). المواد التي تظهر تأثير مايسنر الكامل تسمى موصلات فائقة من النوع الأول ، وجزئي - موصلات فائقة من النوع الثاني .

تحتوي الموصلات الفائقة من النوع الثاني في الحجم على تيارات دائرية تخلق مجالًا مغناطيسيًا ، ومع ذلك ، لا يملأ الحجم بالكامل ، بل يتم توزيعه فيه على شكل خيوط فردية. أما المقاومة فتساوي صفرًا كما في النوع الأول من الموصلات الفائقة.

يصاحب انتقال المادة إلى حالة الموصلية الفائقة تغير في خصائصها الحرارية. ومع ذلك ، فإن هذا التغيير يعتمد على نوع الموصلات الفائقة المعنية. لذلك ، بالنسبة للموصلات الفائقة من النوع في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي عند درجة حرارة التحول تي سيتتلاشى حرارة الانتقال (الامتصاص أو الإطلاق) ، وبالتالي تخضع السعة الحرارية لقفزة ، وهي سمة من سمات انتقال الطور من هذا النوع. عندما يتم الانتقال من حالة التوصيل الفائق إلى الحالة الطبيعية عن طريق تغيير المجال المغناطيسي المطبق ، فيجب عندئذٍ امتصاص الحرارة (على سبيل المثال ، إذا كانت العينة معزولة حرارياً ، فإن درجة حرارتها تنخفض). وهذا يتوافق مع مرحلة انتقالية من هذا النوع. بالنسبة للموصلات الفائقة من هذا النوع ، فإن الانتقال من الموصلية الفائقة إلى الحالة الطبيعية تحت أي ظروف سيكون انتقالًا طوريًا من النوع.

يمكن ملاحظة ظاهرة الدفع خارج المجال المغناطيسي في تجربة تسمى "نعش ماهوميت". إذا تم وضع مغناطيس على سطح موصل فائق مسطح ، فيمكن ملاحظة الارتفاع - سيتدلى المغناطيس على مسافة معينة من السطح دون لمسه. حتى في الحقول ذات الاستقراء بترتيب 0.001 T ، يمكن ملاحظة إزاحة المغناطيس لأعلى بمسافة تبلغ سنتيمترًا واحدًا. هذا بسبب دفع المجال المغناطيسي خارج الموصل الفائق ، لذا فإن المغناطيس الذي يقترب من الموصل الفائق سوف "يرى" مغناطيسًا له نفس القطبية وبنفس الحجم تمامًا - مما يؤدي إلى الارتفاع.

يرتبط اسم هذه التجربة - "نعش محمد" - بحقيقة أنه وفقًا للأسطورة ، فإن التابوت الذي يحمل جسد النبي محمد معلق في الفضاء دون أي دعم.

تم تقديم التفسير النظري الأول للموصلية الفائقة في عام 1935 من قبل فريتز وهاينز لندن. تم تطوير نظرية أكثر عمومية في عام 1950 من قبل L.D. لانداو وف. جينزبورغ. انتشر على نطاق واسع ومعروف باسم نظرية جينزبورغ-لانداو. ومع ذلك ، كانت هذه النظريات ظاهرية بطبيعتها ولم تكشف عن الآليات التفصيلية للموصلية الفائقة. لأول مرة ، تم شرح الموصلية الفائقة على المستوى المجهري في عام 1957 في أعمال الفيزيائيين الأمريكيين جون باردين وليون كوبر وجون شريفر. العنصر المركزي في نظريتهم ، يسمى نظرية BCS ، هو ما يسمى بأزواج كوبر من الإلكترونات.

في عام 1933 ، اكتشف الفيزيائي الألماني والتر فريتز ميسنر ، مع زميله روبرت أوشسينفيلد ، التأثير الذي سمي لاحقًا باسمه. تأثير مايسنر هو أنه أثناء الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق ، هناك إزاحة كاملة للحقل المغناطيسي من حجم الموصل. يمكن ملاحظة ذلك بوضوح بمساعدة التجربة التي أطلق عليها اسم "نعش محمد" (وفقًا للأسطورة ، كان نعش النبي محمد معلقًا في الهواء بدون دعم مادي). في هذه المقالة ، سنناقش تأثير Meissner وتطبيقاته العملية المستقبلية والحالية.

في عام 1911 ، قام Heike Kamerling-Onnes باكتشاف مهم - الموصلية الفائقة. لقد أثبت أنه إذا قمت بتبريد بعض المواد إلى درجة حرارة 20 كلفن ، فإنها لا تظهر مقاومة للتيار الكهربائي. تعمل درجة الحرارة المنخفضة على "تهدئة" الاهتزازات العشوائية للذرات ، ولا تقاوم الكهرباء.

بعد هذا الاكتشاف ، بدأ سباق حقيقي في العثور على مواد لن تقاوم بدون تبريد ، على سبيل المثال في درجة حرارة الغرفة العادية. سيكون مثل هذا الموصل الفائق قادرًا على نقل الكهرباء عبر مسافات هائلة. الحقيقة هي أن خطوط الطاقة التقليدية تفقد قدرًا كبيرًا من التيار الكهربائي ، فقط بسبب المقاومة. في غضون ذلك ، يجري الفيزيائيون تجاربهم عن طريق تبريد الموصلات الفائقة. ومن أكثر التجارب شيوعًا عرض تأثير مايسنر. يمكنك العثور على العديد من مقاطع الفيديو على الويب تظهر هذا التأثير. لقد نشرنا واحدة توضح هذا على أفضل وجه.

لإثبات تجربة رفع مغناطيس فوق موصل فائق ، يحتاج المرء أن يأخذ سيراميك عالي الموصلية ومغناطيس. يتم تبريد السيراميك بالنيتروجين إلى مستوى التوصيل الفائق. يتصل بها تيار ويوضع مغناطيس في الأعلى. في الحقول التي تبلغ مساحتها 0.001 تسلا ، ينحرف المغناطيس لأعلى ويرتفع فوق الموصل الفائق.

يتم تفسير هذا التأثير من خلال حقيقة أنه أثناء انتقال المادة إلى الموصلية الفائقة ، يتم دفع المجال المغناطيسي خارج حجمه.

كيف يمكن تطبيق تأثير مايسنر عمليًا؟ ربما شاهد كل قارئ لهذا الموقع العديد من أفلام الخيال العلمي التي تحوم فيها السيارات فوق الطريق. إذا كان من الممكن اختراع مادة ستتحول إلى موصل فائق عند درجة حرارة ، على سبيل المثال ، لا تقل عن +30 ، فلن يكون هذا خيالًا بعد الآن.

ولكن ماذا عن القطارات السريعة التي تحوم أيضًا فوق خط السكة الحديد. نعم ، هم موجودون بالفعل. ولكن على عكس تأثير مايسنر ، هناك قوانين أخرى للفيزياء تعمل: تنافر الجوانب أحادية القطب للمغناطيس. لسوء الحظ ، لا تسمح التكلفة العالية للمغناطيس باستخدام هذه التقنية على نطاق واسع. مع اختراع الموصل الفائق الذي لا يحتاج إلى التبريد ، ستصبح السيارات الطائرة حقيقة واقعة.

في غضون ذلك ، اعتمد السحرة تأثير مايسنر. لقد بحثنا عن أحد هذه الآراء على الشبكة من أجلك. فرقة "إكسوس" تعرض حيلهم. لا سحر ، فقط الفيزياء.

لوحظت هذه الظاهرة لأول مرة في عام 1933 من قبل الفيزيائيين الألمان ميسنر وأوكسينفيلد. يعتمد تأثير مايسنر على ظاهرة الإزاحة الكاملة للمجال المغناطيسي من المادة أثناء الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق. يرتبط تفسير التأثير بالقيمة الصفرية الصارمة للمقاومة الكهربائية للموصلات الفائقة. تغلغل مجال مغناطيسي في موصل عادي يرتبط بتغيير في التدفق المغناطيسي ، والذي بدوره يخلق EMF للحث والتيارات المستحثة التي تمنع حدوث تغيير في التدفق المغناطيسي.

يخترق المجال المغناطيسي إلى عمق الموصل الفائق ، مما يؤدي إلى إزاحة المجال المغناطيسي من الموصل الفائق بواسطة ثابت يسمى ثابت لندن:

. (3.54)

أرز. 3.17 مخطط تأثير مايسنر.

يوضح الشكل خطوط المجال المغناطيسي وإزاحتها من موصل فائق عند درجة حرارة أقل من الدرجة الحرجة.

عندما تمر درجة الحرارة عبر قيمة حرجة ، سيتغير المجال المغناطيسي في الموصل الفائق بشكل حاد ، مما يؤدي إلى ظهور نبضة EMF في المحرِّض.

أرز. 3.18 مستشعر تأثير مايسنر.

تُستخدم هذه الظاهرة لقياس المجالات المغناطيسية فائقة الضعف لتكوينها كريوترونس(تبديل الأجهزة).

أرز. 3.19 تصميم وتعيين الكريوترون.

من الناحية الهيكلية ، يتكون الكريوترون من اثنين من الموصلات الفائقة. يتم لف ملف النيوبيوم حول موصل التنتالوم ، والذي من خلاله يتدفق تيار التحكم. مع زيادة تيار التحكم ، تزداد شدة المجال المغناطيسي ، ويمر التنتالوم من حالة الموصلية الفائقة إلى الحالة العادية. في هذه الحالة ، تتغير موصلية التنتالوم بشكل حاد ، ويختفي تيار التشغيل في الدائرة عمليًا. على أساس الكريوترونات ، على سبيل المثال ، يتم إنشاء الصمامات الخاضعة للرقابة.