Мейснер эффектісі

Мейснер эффектісі - бұл магнит өрісінің өткізгіштің көлемінен толық өткізгіштік күйге ауысуы кезінде оның толық ығысуы. Сыртқы тұрақты магнит өрісінде суперөткізгішті салқындатқанда, аса өткізгіштік күйге көшу сәтінде магнит өрісі оның көлемінен толық ығыстырылады. Міне, өткізгіштің идеалды өткізгіштен айырмашылығы, онда қарсылық нөлге дейін төмендегенде, көлемдегі магнит өрісінің индукциясы өзгеріссіз қалуы керек.

Өткізгіш көлемінде магнит өрісінің болмауы магнит өрісінің жалпы заңдылықтарынан онда тек беттік ток бар деген қорытынды жасауға мүмкіндік береді. Бұл физикалық нақты, сондықтан бетіне жақын жерде жұқа қабатты алады. Токтың магнит өрісі асқын өткізгіштің ішіндегі сыртқы магнит өрісін бұзады. Осыған байланысты, суперөткізгіш өзін идеалды диагнит ретінде ресми түрде ұстайды. Алайда, бұл диамагнетик емес, өйткені оның ішінде магниттеу нөлге тең.

Өте өткізгіштік теориясы

Өте төмен температурада бірқатар заттардың кедергісі бөлме температурасына қарағанда кемінде 10-12 есе аз. Тәжірибелер көрсеткендей, егер сіз өткізгіштердің тұйық контурында ток жасасаңыз, онда бұл ток ЭҚК көзінсіз айналымын жалғастырады. Суперөткізгіштердегі Фуко токтары өте ұзақ сақталады және Джоуль жылуының болмауына байланысты ыдырамайды (300А -ға дейінгі токтар бірнеше сағат қатарынан ағуын жалғастырады). Әр түрлі өткізгіштер арқылы токтың өтуін зерттеу суперөткізгіштер арасындағы контактілер кедергісі де нөлге тең екенін көрсетті. Өте өткізгіштіктің айрықша ерекшелігі - Холл құбылысының болмауы. Кәдімгі өткізгіштерде магнит өрісінің әсерінен металдағы ток ығыстырылса, суперөткізгіштерде бұл құбылыс жоқ. Өте өткізгіштегі ток орнында бекітілген. Өте өткізгіштік келесі факторлардың әсерінен жоғалады:

• 1) температураның жоғарылауы;
• 2) жеткілікті күшті магнит өрісінің әрекеті;
• 3) сынамада токтың жеткілікті жоғары тығыздығы;

Температураның көтерілуімен байқалатын омдық қарсылық кенеттен пайда болады. Өте өткізгіштіктен өткізгіштікке өту тік және айқынырақ, үлгі біркелкі болады (ең тік ауысу монокристалдарда байқалады). Өте өткізгіштік күйден қалыпты күйге өтуді магниттік өрісті сыни температурадан төмен температурада ұлғайту арқылы жүзеге асыруға болады.

1913 жылы. Неміс физиктері Мейснер мен Охсенфельд суперөткізгіштің айналасында магнит өрісінің дәл таралуын эксперименталды түрде сынап көруді шешті. Нәтиже күтпеген жерден болды. Тәжірибе шарттарына қарамастан магнит өрісі өткізгішке енбеді. Таңқаларлық факт - тұрақты магнит өрісінде сыни температурадан төмен салқындатылған суперөткізгіш өздігінен бұл өрісті өз көлемінен итеріп шығарады, магниттік индукция В = 0 болатын күйге өтеді. идеал диамагнетизм күйі. Бұл құбылыс Мейснер эффектісі деп аталады.

Көптеген адамдар Мейснер эффектісін өткізгіштердің ең негізгі қасиеті деп санайды. Шынында да, нөлдік қарсылықтың болуы сөзсіз осы әсерден туындайды. Өйткені, беттік скринингтік токтар уақыт бойынша тұрақты және өлшенбейтін магнит өрісінде әлсіремейді. Суперөткізгіштің жұқа беткі қабатында бұл токтар сыртқы өріске қатаң тең және қарама -қарсы болатын өздерінің магнит өрісін жасайды. Өте өткізгіште бұл екі қарама -қарсы магнит өрісі қосылады, осылайша жалпы магнит өрісі нөлге тең болады, дегенмен өрістің шарттары қатар жүреді, сондықтан олар сыртқы магнит өрісін суперөткізгіштен «итеру» әсері туралы айтады.

Идеал өткізгіш бастапқы күйде критикалық температурадан төмен салқындатылсын және сыртқы магнит өрісі жоқ. Енді идеалды өткізгішті сыртқы магнит өрісіне енгізейік. Үлгідегі өріс жоқ енеді, ол суретте схемалық түрде көрсетілген. 1 . Сыртқы өріс пайда болған кезде, идеалды өткізгіштің бетінде ток пайда болады, ол Ленц ережесі бойынша қолданылғанға қарама -қарсы бағытталған өзінің магнит өрісін жасайды, ал үлгідегі жалпы өріс нөлге тең болады. .

Мұны Максвелл теңдеулері арқылы дәлелдеуге болады. Индукцияны өзгерту кезінде VҮлгінің ішінде E электр өрісі пайда болуы керек:

Қайда бар - вакуумдағы жарық жылдамдығы. Бірақ идеалды өткізгіште R = 0, өйткені

E = jс,

мұндағы с - біздің жағдайда нөлге тең қарсылық, j- индукцияланған токтың тығыздығы. Демек, осыдан шығады B= const, бірақ өрісті өрнекке енгізер алдында V= 0, онда бұл анық V= 0 және өріске енгізгеннен кейін. Мұны былай түсіндіруге де болады: c = 0 болғандықтан, магнит өрісінің идеалды өткізгішке ену уақыты шексіз.

Сонымен, сыртқы магнит өрісіне енгізілген идеалды өткізгіш бар VҮлгінің кез келген нүктесінде = 0. Дегенмен, сол күй (идеалды дирижер Т.<Т. бар сыртқы магнит өрісінде) басқа жолмен алуға болады: алдымен сыртқы өрісті «жылы» үлгіге қолданыңыз, содан кейін оны температураға дейін суытыңыз. Т.<Т. бар .

Электродинамика идеалды өткізгіш үшін мүлдем басқа нәтижені болжайды. Шынында да, үлгі T> T бар қарсылыққа ие және магнит өрісі оған жақсы енеді. Төменде салқындағаннан кейін Т. бар өріс үлгіде қалады. Бұл жағдай суретте көрсетілген. 2018-05-07 121 2.

Осылайша, нөлдік қарсылықтан басқа, өткізгіштердің тағы бір негізгі қасиеті бар - идеал диамагнетизм. Ішіндегі магнит өрісінің жоғалуы суперөткізгіште тұрақты беткі токтардың пайда болуымен байланысты. Бірақ магнит өрісін толығымен сыртқа шығару мүмкін емес, себебі бұл бетіндегі магнит өрісінің ақырғы мәннен кенеттен төмендеуін білдіреді Vнөлге дейін. Бұл үшін беті бойынша шексіз тығыздықтағы ток өтуі қажет, бұл мүмкін емес. Демек, магнит өрісі суперөткізгішке терең енеді, белгілі бір тереңдікке n.

Мейснер-Оксенфельд әсері тек әлсіз өрістерде байқалады. Магнит өрісінің кернеулігінің мәнге дейін ұлғаюымен H смасқын өткізгіштік күй жойылады. Бұл өріс маңызды деп аталады H смМагниттік өріс пен критикалық температура арасындағы байланыс эмпирикалық формуламен жақсы суреттелген (6).

H см (T) =H см (0) [1- (Т / Т c) ) 2 ] (6)

Қайда H см (0) - абсолютті нөлге экстраполяцияланған өріс .

Бұл тәуелділіктің графигі 3 -суретте көрсетілген. Бұл графикті сұр бөліктің әрбір нүктесі асқын өткізгіштік күйге, ал ақ аймақ - қалыптыға сәйкес келетін фазалық диаграмма ретінде қарастыруға болады.

Магнит өрісінің ену сипатына сәйкес суперөткізгіштер бірінші және екінші типті суперөткізгіштерге бөлінеді. Бірінші типті суперөткізгіште өріс кернеулігі мәнге жеткенше магнит өрісі енбейді H см... Егер өріс сыни мәннен асып кетсе, онда өткізгіштік күй жойылады және өріс үлгіге толығымен енеді. Бірінші типті суперөткізгіштерге ниобийден басқа барлық өткізгіштердің химиялық элементтері жатады.

Металл қалыптыдан жоғары өткізгіштікке өткенде белгілі бір жұмыстар орындалатыны есептелген. Бұл жұмыстың қайнар көзі, нақты неде? Өтеөткізгіштің қалыпты күйінде сол металға қарағанда энергиясы төмен болуы.

Суперөткізгіш энергияның өсуіне байланысты Meissner эффектісінің «сән -салтанатына» қол жеткізе алатыны анық. Магнит өрісінің ығыстырылуы, егер бұл құбылысқа байланысты энергияның өсуі металдың аса өткізгіштік күйге өтуіне байланысты энергияның тиімдірек төмендеуімен өтелетін болса, орын алады. Жеткілікті магниттік өрістерде энергия өткізгіштігі аса жоғары өткізгіштік емес, өріс үлгіге еркін енетін қалыпты күй.

Нөлдік қарсылық - бұл өткізгіштіктің жалғыз ерекшелігі емес. Өте өткізгіштер мен идеалды өткізгіштер арасындағы негізгі айырмашылықтардың бірі - 1933 жылы Уолтер Мейснер мен Роберт Охсенфельд ашқан Мейснер эффектісі.

Мейснер эффектісі магнит өрісін суперөткізгіш алатын кеңістік бөлігінен «итеріп шығарудан» тұрады. Бұл суперөткізгіштің ішкі магнит өрісін қарама -қарсы құрайтын және қолданылатын сыртқы магнит өрісін өтейтін тұрақты токтардың болуынан туындайды.

Сыртқы тұрақты магнит өрісінде суперөткізгішті салқындатқанда, аса өткізгіштік күйге көшу сәтінде магнит өрісі оның көлемінен толық ығыстырылады. Міне, өткізгіштің идеалды өткізгіштен айырмашылығы, онда қарсылық нөлге дейін төмендегенде көлемдегі магнит өрісінің индукциясы өзгеріссіз қалуы керек.

Өткізгіш көлемінде магнит өрісінің болмауы магнит өрісінің жалпы заңдылықтарынан онда тек беттік ток бар деген қорытынды жасауға мүмкіндік береді. Бұл физикалық нақты, сондықтан бетіне жақын жерде жұқа қабатты алады. Токтың магнит өрісі асқын өткізгіштің ішіндегі сыртқы магнит өрісін бұзады. Осыған байланысты, суперөткізгіш өзін идеалды диагнит ретінде ресми түрде ұстайды. Алайда, бұл диамагнетик емес, өйткені оның ішінде магниттеу нөлге тең.

Мейснер эффектісін алғашында ағайынды Фриц пен Хайнц Лондон түсіндірді. Олар суперөткізгіште магнит өрісінің бетінен тұрақты тереңдікке - Лондонның магнит өрісінің ену тереңдігіне енетінін көрсетті. λ ... Металдар үшін l ~ 10 -2 мкм.

Өте өткізгіштік құбылысы байқалатын таза заттар аз. Өте өткізгіштік қорытпаларда жиі кездеседі. Таза заттар үшін толық Meissner эффектісі орын алады, ал қорытпалар үшін магнит өрісінің көлемнен толық шығарылуы болмайды (ішінара Meissner эффектісі). Мейснер әсерін толық көрсететін заттар деп аталады бірінші типті суперөткізгіштер және ішінара - екінші типті суперөткізгіштер .

Екінші типті суперөткізгіштер магнит өрісін құрайтын көлемді айналмалы токтарға ие, алайда олар бүкіл көлемді толтырмайды, бірақ онда бөлек жіптер түрінде таралады. Қарсылыққа келетін болсақ, ол I типті суперөткізгіштердегідей нөлге тең.

Заттың аса өткізгіштік күйге ауысуы оның жылу қасиеттерінің өзгеруімен жүреді. Алайда, бұл өзгеріс суперөткізгіштердің түріне байланысты. Осылайша, өтпелі температурада магнит өрісі болмаған жағдайда, бұл түрдегі өткізгіштер үшін T C.ауысу жылуы (сіңіру немесе босату) жоғалады, сондықтан жылу сыйымдылығы секіруден өтеді, бұл фазалық ауысуға тән. Өте өткізгіштік күйден қалыпты күйге көшу қолданылатын магнит өрісін өзгерту арқылы жүзеге асқанда, онда жылу сіңірілуі керек (мысалы, егер үлгі жылу оқшауланған болса, онда оның температурасы төмендейді). Және бұл түрдің фазалық ауысуына сәйкес келеді. Өте өткізгіштер үшін кез келген жағдайда асқын өткізгіштен қалыпты күйге өту осы түрдегі фазалық ауысу болады.

Магнит өрісінен ығыстыру құбылысын «Магомет табыты» деп аталатын тәжірибеде байқауға болады. Егер магнит жалпақ суперөткізгіштің бетіне қойылса, онда левитацияны байқауға болады - магнит бетінен белгілі бір қашықтықта ілінбей тұрып қалады. Индукциясы 0,001 Т болатын өрістерде де магниттің сантиметрге дейінгі қашықтыққа жоғары жылжуы байқалады. Бұл магнит өрісінің суперөткізгіштен итеріліп шығарылуына байланысты, сондықтан суперөткізгішке жақындайтын магнит бірдей полярлықтағы және дәл сол көлемдегі магнитті «көреді» - бұл левитацияны тудырады.

Бұл эксперименттің атауы - «Мұхаммед табыты» - аңыз бойынша, Мұхаммед пайғамбардың денесі салынған табыт ешқандай тірексіз кеңістікте ілулі болуымен байланысты.

Өте өткізгіштікке алғашқы теориялық түсінікті 1935 жылы Фриц пен Хайнц Лондон берді. Неғұрлым жалпы теорияны 1950 жылы Л.Д. Ландау мен В.Л. Гинзбург. Ол кең таралды және Гинзбург-Ландау теориясы ретінде белгілі. Алайда, бұл теориялар феноменологиялық сипатта болды және суперөткізгіштіктің егжей -тегжейлі механизмдерін ашпады. Алғаш рет микроскопиялық деңгейдегі суперөткізгіштік 1957 жылы американдық физиктер Джон Бардин, Леон Купер және Джон Шрифердің еңбектерінде түсіндірілді. BCS теориясы деп аталатын олардың теориясының орталық элементі Купер деп аталатын электрондар жұбы болып табылады.

1933 жылы неміс физигі Вальтер Фриц Мейснер әріптесі Роберт Охсенфельдпен бірге кейіннен оның есімімен аталған әсерді ашты. Мейснер эффектісі - өте өткізгіштік күйге өту кезінде магнит өрісінің өткізгіш көлемінен толық ығысуы болады. Мұны «Мұхаммед табыты» деп аталатын эксперимент көмегімен анық байқауға болады (аңыз бойынша, мұсылман пайғамбар Мұхаммедтің табыты физикалық қолдаусыз ауада ілулі). Бұл мақалада біз Meissner эффектісін және оның болашағын талқылап, практикалық қолдануды ұсынамыз.

1911 жылы Хайке Камерлинг -Оннес маңызды жаңалық ашты - суперөткізгіштік. Ол егер сіз кейбір заттарды 20 К температураға дейін салқындатсаңыз, онда олар электр тогына төзімділік көрсетпейтінін дәлелдеді. Төмен температура атомдардың кездейсоқ тербелістерін «тыныштандырады», ал электр энергиясына қарсы тұрмайды.

Осы ашудан кейін нағыз жарыс салқындатусыз қарсылық көрсетпейтін заттарды таба бастады, мысалы қарапайым бөлме температурасында. Мұндай суперөткізгіш үлкен қашықтықтарға электр энергиясын жібере алады. Қарапайым электр желілері қарсылықтың арқасында электр тогының едәуір мөлшерін жоғалтады. Бұл уақытта физиктер суперөткізгіштерді салқындату арқылы өз тәжірибелерін жүргізуде. Ал ең танымал эксперименттердің бірі - Мейснер эффектісін көрсету. Сіз бұл әсерді көрсететін көптеген бейнелерді таба аласыз. Біз мұны жақсы көрсететін біреуін орналастырдық.

Магнитті суперөткізгішке левитациялау тәжірибесін көрсету үшін жоғары температуралы асқын өткізгіш керамика мен магнитті алу қажет. Керамиканы азотпен жоғары өткізгіштік деңгейге дейін салқындатады. Оған ток қосылып, үстіне магнит қойылады. 0,001 Т өрістерінде магнит жоғары жылжиды және суперөткізгіштен жоғары көтеріледі.

Эффект заттың аса өткізгіштікке ауысуы кезінде магнит өрісінің көлемінен ығыстырылуымен түсіндіріледі.

Мейснер эффектісін іс жүзінде қалай қолдануға болады? Мүмкін, бұл сайттың әрбір оқырманы автокөліктер жол бойында қалықтаған көптеген фантастикалық фильмдерді көрген шығар. Егер, айталық, +30 төмен емес температурада суперөткізгішке айналатын затты ойлап табу мүмкін болса, онда бұл енді қиял болмайды.

Бірақ теміржолдың үстінде жүретін оқ пойыздары туралы не деуге болады? Иә, олар бұрыннан бар. Бірақ Meissner эффектінен айырмашылығы, физиканың басқа заңдары бар: магниттің бір полярлы жақтарын итеру. Өкінішке орай, магниттердің жоғары бағасы бұл технологияны кеңінен қолдануға мүмкіндік бермейді. Салқындатуды қажет етпейтін суперөткізгіштің өнертабысымен ұшатын машиналар шындыққа айналады.

Бұл уақытта сиқыршылар Meissner эффектісін қабылдады. Біз сіз үшін желіде осы көріністердің бірін ойлап таптық. «Exos» труппасы өздерінің айла -амалдарын көрсетеді. Сиқыр жоқ, тек физика.

Бұл құбылысты алғаш рет 1933 жылы неміс физиктері Мейснер мен Охсенфельд байқады. Мейснер эффектісі өте өткізгіштік күйге өту кезінде магнит өрісінің материалдан толық ығысу құбылысына негізделген. Эффектінің түсіндірмесі асқын өткізгіштердің электр кедергісінің қатаң нөлдік мәнімен байланысты. Магнит өрісінің кәдімгі өткізгішке енуі магнит ағынының өзгеруімен байланысты, ол өз кезегінде магнит ағынының өзгеруіне жол бермейтін индукция мен индукцияланған токтардың ЭҚК жасайды.

Магнит өрісі суперөткізгішке тереңдікке еніп, магнит өрісін суперөткізгіштен Лондон тұрақтысы деп аталатын тұрақтыға ығыстырады:

. (3.54)

Күріш. 3.17 Мейснер эффектісінің схемасы.

Суретте магнит өрісінің сызықтары мен олардың сыни мәннен төмен температурада суперөткізгіштен орын ауыстыруы көрсетілген.

Температура сыни мәннен өткен кезде, өткізгіштегі магнит өрісі күрт өзгереді, бұл индукторда ЭҚК импульсінің пайда болуына әкеледі.

Күріш. 3.18 Meissner әсерінің сенсоры.

Бұл құбылыс өте әлсіз магнит өрісін құру үшін қолданылады криотрондар(коммутациялық құрылғылар).

Күріш. 3.19 Криотронның конструкциясы мен белгіленуі.

Құрылымдық жағынан криотрон екі суперөткізгіштен тұрады. Ниобий катушкасы тантал өткізгіштің айналасына оралған, ол арқылы басқару тогы өтеді. Басқару тогының ұлғаюымен магнит өрісінің кернеулігі артады, ал тантал асқын өткізгіштік күйден қарапайым күйге өтеді. Бұл жағдайда тантал өткізгіштің өткізгіштігі күрт өзгереді, ал тізбектегі жұмыс тогы іс жүзінде жоғалады. Криотрондардың негізінде, мысалы, реттелетін клапандар жасалады.