Ефект на Майснер

Ефектът на Майснер е пълно изместване на магнитното поле от обема на проводник при преминаването му в свръхпроводящо състояние. Когато един свръхпроводник се охлади във външно постоянно магнитно поле, в момента на преминаване в свръхпроводящо състояние, магнитното поле е напълно изместено от обема си. По този начин свръхпроводникът се различава от идеалния проводник, при който, когато съпротивлението падне до нула, индукцията на магнитното поле в обема трябва да остане непроменена.

Отсъствието на магнитно поле в обема на проводника ни позволява да заключим от общите закони на магнитното поле, че в него съществува само повърхностен ток. Той е физически реален и следователно заема някакъв тънък слой близо до повърхността. Магнитното поле на тока разрушава външното магнитно поле вътре в свръхпроводника. В това отношение свръхпроводникът се държи формално като идеален диамагнетик. Това обаче не е диамагнетик, тъй като намагнитването вътре в него е нула.

Теория на свръхпроводимостта

При изключително ниски температури редица вещества имат устойчивост поне 10-12 пъти по-малка, отколкото при стайна температура. Експериментите показват, че ако създадете ток в затворен контур от свръхпроводници, то този ток продължава да циркулира без източник на ЕМП. Токовете на Фуко в свръхпроводници продължават много дълго време и не се разпадат поради липсата на Джоулова топлина (токове до 300А продължават да текат много часове подред). Изследването на преминаването на ток през редица различни проводници показа, че съпротивлението на контактите между свръхпроводниците също е нула. Отличителна черта на свръхпроводимостта е отсъствието на явлението Хол. Докато в обикновените проводници, под въздействието на магнитно поле, токът в метала се измества, в свръхпроводниците това явление отсъства. Токът в свръхпроводника сякаш е фиксиран на място. Свръхпроводимостта изчезва под въздействието на следните фактори:

• 1) повишаване на температурата;
• 2) действието на достатъчно силно магнитно поле;
• 3) достатъчно висока плътност на тока в пробата;

С повишаване на температурата почти внезапно се появява забележимо омическо съпротивление. Преходът от свръхпроводимост към проводимост е по -стръмен и по -забележим, колкото по -хомогенна е пробата (най -стръмният преход се наблюдава при монокристалите). Преходът от свръхпроводящо състояние в нормално състояние може да се осъществи чрез увеличаване на магнитното поле при температура под критичното.

През 1913г. Германските физици Майснер и Оксенфелд решиха да експериментират експериментално как точно се разпределя магнитното поле около свръхпроводник. Резултатът беше неочакван. Независимо от условията на експеримента, магнитното поле не прониква в проводника. Поразителен факт беше, че свръхпроводник, охладен под критичната температура в постоянно магнитно поле, спонтанно изтласква това поле от неговия обем, преминавайки в състояние, в което магнитната индукция В = 0, т.е. състоянието на идеалния диамагнетизъм. Това явление се нарича ефект на Майснер.

Мнозина смятат, че ефектът на Майснер е най -фундаменталното свойство на свръхпроводниците. Всъщност съществуването на нулева съпротива неизбежно следва от този ефект. В края на краищата повърхностните екраниращи токове са постоянни във времето и не отслабват в неизмеримо магнитно поле. В тънък повърхностен слой на свръхпроводник тези токове създават свое собствено магнитно поле, което е строго равно и противоположно на външното поле. В свръхпроводник тези две противоположни магнитни полета се добавят, така че общото магнитно поле става равно на нула, въпреки че условията на полето съществуват съвместно и следователно те говорят за ефекта от „изтласкването“ на външното магнитно поле от свръхпроводника.

Нека идеалният проводник в началното състояние да се охлади под критичната температура и да няма външно магнитно поле. Нека сега въведем такъв идеален проводник във външно магнитно поле. Полето в извадката не е прониква, което е показано схематично на фиг. 1 . Непосредствено при появата на външно поле, на повърхността на идеален проводник възниква ток, създаващ, според правилото на Ленц, свое собствено магнитно поле, насочено противоположно на приложеното, а общото поле в пробата ще бъде равно на нула .

Това може да се докаже с помощта на уравненията на Максуел. При смяна на индукцията Vвътре в пробата трябва да се появи електрическо поле E:

Където с - скоростта на светлината във вакуум. Но в идеален проводник R = 0, тъй като

E = jс,

където c е съпротивлението, което в нашия случай е равно на нула, йе плътността на индуцирания ток. Оттук следва, че Б= const, но преди да въведете шаблона в полето V= 0, тогава е ясно, че V= 0 и след влизане в полето. Това може да се тълкува и по следния начин: тъй като c = 0, времето на проникване на магнитното поле в идеален проводник е безкрайно.

Идеалният проводник, въведен във външно магнитно поле, има V= 0 във всяка точка от извадката. Същото състояние обаче (идеален проводник при T<T с във външно магнитно поле) може да се постигне по друг начин: първо, приложете външно поле към „топла“ проба и след това я охладете до температура T<T с .

Електродинамиката предвижда напълно различен резултат за идеален проводник. Наистина, пробата при T> T с има съпротивление и магнитното поле прониква добре в него. След като го охладите по -долу T с полето ще остане в извадката. Тази ситуация е изобразена на фиг. 2.

По този начин, освен нулевото съпротивление, свръхпроводниците имат още едно основно свойство - идеален диамагнетизъм. Изчезването на магнитното поле вътре е свързано с появата на устойчиви повърхностни токове в свръхпроводника. Но магнитното поле не може да бъде изтласкано напълно, т.к това би означавало, че магнитното поле на повърхността рязко пада от крайната стойност Vдо нула. За това е необходимо по повърхността да тече ток с безкрайна плътност, което е невъзможно. Следователно магнитното поле прониква дълбоко в свръхпроводника до определена дълбочина n.

Ефектът на Майснер-Оксенфелд се наблюдава само в слаби полета. С увеличаване на силата на магнитното поле до стойност З смсвръхпроводящото състояние се разрушава. Това поле се нарича критично З смВръзката между критичното магнитно поле и критичната температура е добре описана от емпиричната формула (6).

З см (T) =З см (0) [1- (T / T ° С ) 2 ] (6)

Където З см (0) - критично поле, екстраполирано до абсолютна нула .

Графиката на тази зависимост е показана на фигура 3. Тази графика може да се разглежда и като фазова диаграма, където всяка точка от сивата част съответства на свръхпроводящото състояние, а бялата област - на нормалната.

Според естеството на проникване на магнитното поле свръхпроводниците се разделят на свръхпроводници от първи и втори вид. В свръхпроводник от първи вид магнитното поле не прониква, докато силата на полето не достигне стойността З см... Ако полето надвишава критичната стойност, тогава свръхпроводящото състояние се разрушава и полето напълно прониква в пробата. Свръхпроводниците от първия вид включват всички химични елементи на свръхпроводниците, с изключение на ниобия.

Изчислено е, че някаква работа се извършва, когато метал преминава от нормално към свръхпроводящо. Какъв точно е източникът на тази работа? Фактът, че свръхпроводникът има по -ниска енергия от същия метал в нормалното си състояние.

Ясно е, че свръхпроводникът може да си позволи "лукса" на ефекта на Майснер поради печалбата в енергията. Изтласкването на магнитното поле ще се извършва, докато увеличаването на енергията, свързано с това явление, се компенсира с по -ефективно намаляване на енергията, свързано с прехода на метала в свръхпроводящо състояние. При достатъчно магнитни полета не свръхпроводящото състояние е енергийно по -благоприятно, а нормалното състояние, при което полето свободно прониква в пробата.

Нулевото съпротивление не е единствената характеристика на свръхпроводимостта. Една от основните разлики между свръхпроводниците и идеалните проводници е ефектът на Майснер, открит от Уолтър Майснер и Робърт Оксенфелд през 1933 г.

Ефектът на Майснер се състои в "изтласкване" на магнитното поле от свръхпроводника от частта от пространството, което заема. Това се причинява от съществуването на постоянни токове вътре в свръхпроводника, които създават вътрешно магнитно поле, противоположно и компенсиращо приложеното външно магнитно поле.

Когато един свръхпроводник се охлади във външно постоянно магнитно поле, в момента на преминаване в свръхпроводящо състояние, магнитното поле е напълно изместено от обема си. По този начин свръхпроводникът се различава от идеалния проводник, при който, когато съпротивлението падне до нула, индукцията на магнитното поле в обема трябва да остане непроменена.

Отсъствието на магнитно поле в обема на проводника ни позволява да заключим от общите закони на магнитното поле, че в него съществува само повърхностен ток. Той е физически реален и следователно заема някакъв тънък слой близо до повърхността. Магнитното поле на тока разрушава външното магнитно поле вътре в свръхпроводника. В това отношение свръхпроводникът се държи формално като идеален диамагнетик. Това обаче не е диамагнетик, тъй като вътре в него намагнитването е нула.

Ефектът на Майснер е обяснен за първи път от братята Фриц и Хайнц Лондон. Те показаха, че в свръхпроводник магнитното поле прониква на фиксирана дълбочина от повърхността - Лондонската дълбочина на проникване на магнитното поле λ ... За метали l ~ 10 -2 μm.

Чисти вещества, в които се наблюдава явлението свръхпроводимост, са малко. Свръхпроводимостта е по -често срещана в сплавите. За чистите вещества се осъществява пълният ефект на Майснер, докато за сплавите няма пълно изтласкване на магнитното поле от обема (частичен ефект на Майснер). Вещества, проявяващи пълния ефект на Майснер, се наричат свръхпроводници от първи вид , и частично - свръхпроводници от втори вид .

Свръхпроводниците от втори вид имат кръгови токове в обема, които създават магнитно поле, което обаче не запълва целия обем, а се разпределя в него под формата на отделни нишки. Що се отнася до съпротивлението, то е равно на нула, както при свръхпроводниците от тип I.

Преходът на вещество в свръхпроводящо състояние е придружен от промяна в неговите топлинни свойства. Тази промяна обаче зависи от вида на въпросните свръхпроводници. И така, за свръхпроводници от вида при липса на магнитно поле при температурата на прехода Т Стоплината на прехода (поглъщане или освобождаване) изчезва и следователно топлинният капацитет претърпява скок, характерен за фазовия преход от този вид. Когато преминаването от свръхпроводящо състояние в нормално състояние се извършва чрез промяна на приложеното магнитно поле, тогава топлината трябва да се абсорбира (например, ако пробата е топлоизолирана, тогава температурата й намалява). И това съответства на такъв фазов преход. За такива свръхпроводници преходът от свръхпроводящо към нормално състояние при всякакви условия ще бъде фазов преход от този вид.

Явлението изтласкване на магнитното поле може да се наблюдава в експеримент, наречен „ковчегът на Махомет“. Ако магнит се постави върху повърхността на плосък свръхпроводник, тогава може да се наблюдава левитация - магнитът ще виси на определено разстояние от повърхността, без да я докосва. Дори в полета с индукция от порядъка на 0.001 T се забелязва изместване на магнита нагоре с разстояние от порядъка на сантиметър. Това се дължи на факта, че магнитното поле е изтласкано от свръхпроводника, така че магнит, приближаващ се към свръхпроводника, ще „види“ магнит със същата полярност и точно същия размер - което ще предизвика левитация.

Името на този експеримент - „ковчегът на Мохамед“ - се свързва с факта, че според легендата ковчегът с тялото на пророка Мохамед е висял в космоса без никаква опора.

Първото теоретично обяснение за свръхпроводимостта е дадено през 1935 г. от Фриц и Хайнц Лондон. По -обща теория е разработена през 1950 г. от L.D. Ландау и В.Л. Гинзбург. Той стана широко разпространен и е известен като теорията на Гинзбург-Ландау. Тези теории обаче имат феноменологичен характер и не разкриват подробните механизми на свръхпроводимостта. За първи път свръхпроводимостта на микроскопично ниво е обяснена през 1957 г. в работата на американските физици Джон Бардин, Леон Купър и Джон Шрифер. Централният елемент на тяхната теория, наречена BCS теория, са така наречените купърски двойки електрони.

През 1933 г. немският физик Валтер Фриц Майснер, заедно с колегата си Робърт Оксенфелд, откриват ефекта, който по -късно е кръстен на него. Ефектът на Майснер е, че по време на прехода в свръхпроводящо състояние има пълно изместване на магнитното поле от обема на проводника. Това може ясно да се наблюдава с помощта на експеримента, който получи името „Ковчегът на Мохамед“ (според легендата ковчегът на мюсюлманския пророк Мохамед висеше във въздуха без физическа опора). В тази статия ще обсъдим ефекта на Майснер и неговото бъдеще и ще представим практически приложения.

През 1911 г. Хайке Камерлинг -Оннес прави важно откритие - свръхпроводимост. Той доказа, че ако охладите някои вещества до температура 20 K, те не показват устойчивост на електрически ток. Ниската температура "успокоява" случайните вибрации на атомите и електричеството не се съпротивлява.

След това откритие истинско състезание започна да открива вещества, които няма да устоят без охлаждане, например при обикновена стайна температура. Такъв свръхпроводник ще може да предава електричество на гигантски разстояния. Факт е, че конвенционалните електропроводи губят значително количество електрически ток, само поради съпротивлението. Междувременно физиците провеждат експериментите си чрез охлаждане на свръхпроводници. И един от най -популярните експерименти е демонстрацията на ефекта на Майснер. В мрежата можете да намерите много видеоклипове, показващи този ефект. Публикували сме една, която най -добре демонстрира това.

За да се демонстрира експериментът с левитация на магнит над свръхпроводник, е необходимо да се вземе високотемпературна свръхпроводяща керамика и магнит. Керамиката се охлажда с азот до свръхпроводящо ниво. Към него е свързан ток и отгоре е поставен магнит. В полета от 0,001 T магнитът се измества нагоре и левитира над свръхпроводника.

Ефектът се обяснява с факта, че по време на прехода на материята в свръхпроводимост магнитното поле се изтласква от обема си.

Как може ефектът на Майснер да се приложи на практика? Вероятно всеки читател на този сайт е виждал много научнофантастични филми, в които колите са надвиснали над пътя. Ако е възможно да се изобрети вещество, което да се превърне в свръхпроводник при температура, да речем, не по -ниска от +30, тогава това вече няма да е фантазия.

Но какво да кажем за влаковете с куршуми, които също се носят над железницата. Да, те вече съществуват. Но за разлика от ефекта на Майснер, действат други закони на физиката: отблъскването на еднополюсните страни на магнитите. За съжаление, високата цена на магнитите не позволява широкото използване на тази технология. С изобретяването на свръхпроводник, който не се нуждае от охлаждане, летящите коли ще станат реалност.

Междувременно магьосниците приеха ефекта на Майснер. Изкопахме един от тези изгледи в мрежата за вас. Трупата "Екзос" показва своите трикове. Няма магия, просто физика.

За първи път явлението е наблюдавано през 1933 г. от немските физици Майснер и Оксенфелд. Ефектът на Майснер се основава на явлението пълно изместване на магнитното поле от материала по време на прехода в свръхпроводящо състояние. Обяснението на ефекта е свързано със строго нулевата стойност на електрическото съпротивление на свръхпроводниците. Проникването на магнитно поле в обикновен проводник е свързано с промяна в магнитния поток, което от своя страна създава ЕМП на индукция и индуцирани токове, които предотвратяват промяната в магнитния поток.

Магнитното поле прониква в свръхпроводника на дълбочина, измествайки магнитното поле от свръхпроводника с константа, наречена константа на Лондон:

. (3.54)

Ориз. 3.17 Схема на ефекта на Майснер.

Фигурата показва линиите на магнитното поле и тяхното изместване от свръхпроводник при температура под критичната.

Когато температурата премине през критична стойност, магнитното поле в свръхпроводника ще се промени рязко, което води до появата на EMF импулс в индуктора.

Ориз. 3.18 Сензор за ефект на Meissner.

Това явление се използва за измерване на ултра-слаби магнитни полета за създаване криотрони(превключващи устройства).

Ориз. 3.19 Проектиране и обозначение на криотрона.

Структурно криотронът се състои от два свръхпроводника. Около танталовия проводник е навита ниобиева намотка, през която протича контролен ток. С увеличаване на управляващия ток силата на магнитното поле се увеличава и танталът преминава от състоянието на свръхпроводимост в обикновено състояние. В този случай проводимостта на танталовия проводник рязко се променя и работният ток във веригата практически изчезва. На базата на криотрони например се създават контролирани клапани.