Мајснер ефект

Ефектот Мајснер е целосно поместување на магнетното поле од волуменот на проводникот за време на неговото преминување во суперпроводлива состојба. Кога суперпроводникот се лади во надворешно константно магнетно поле, во моментот на премин во суперспроводлива состојба, магнетното поле е целосно поместено од неговиот волумен. Така суперпроводникот се разликува од идеалниот проводник, во кој, кога отпорот паѓа на нула, индукцијата на магнетното поле во волуменот мора да остане непроменета.

Отсуството на магнетно поле во волуменот на проводникот ни овозможува од општите закони на магнетното поле да заклучиме дека во него постои само површинска струја. Тоа е физички реално и затоа зафаќа тенок слој во близина на површината. Магнетното поле на струјата го уништува надворешното магнетно поле во суперпроводникот. Во овој поглед, суперпроводникот се однесува формално како идеален дијамагнет. Сепак, тоа не е дијамагнет, бидејќи во него магнетизацијата е нула.

Теорија за суперспроводливост

На екстремно ниски температури, голем број супстанции имаат отпор од најмалку 10-12 пати помала отколку на собна температура. Експериментите покажуваат дека ако креирате струја во затворена јамка на суперпроводници, тогаш оваа струја продолжува да циркулира без извор на EMF. Струите на Фуко во суперпроводниците перзистираат многу долго и не се распаѓаат поради недостаток на топлина во ouул (струи до 300А продолжуваат да течат многу часови по ред). Студијата за премин на струја низ голем број различни проводници покажа дека отпорноста на контактите помеѓу суперпроводниците е исто така нула. Карактеристична карактеристика на суперспроводливоста е отсуството на феноменот Хол. Додека кај обичните проводници, под влијание на магнетно поле, струјата во металот е поместена, кај суперпроводниците оваа појава отсуствува. Струјата во суперпроводникот е, како што беше, фиксирана на место. Суперспроводливоста исчезнува под влијание на следниве фактори:

• 1) пораст на температурата;
• 2) дејство на доволно силно магнетно поле;
• 3) доволно висока густина на струја во примерокот;

Со зголемувањето на температурата, забележлив омски отпор се појавува речиси одеднаш. Транзицијата од суперспроводливост во спроводливост е пострмна и позабележителна, колку повеќе хомогениот примерок (најстрмната транзиција е забележана кај еднокристалните кристали). Транзицијата од состојба на суперспроводливост во нормална состојба може да се изврши со зголемување на магнетното поле на температура под критичното.

Во 1913 година. Германските физичари Мајснер и Охсенфелд одлучија експериментално да тестираат како точно магнетното поле е распределено околу суперпроводникот. Резултатот беше неочекуван. Без оглед на условите на експериментот, магнетното поле не навлезе во проводникот. Впечатлив факт беше дека суперпроводник ладен под критичната температура во константно магнетно поле спонтано го турка ова поле од неговиот волумен, преминувајќи во состојба во која магнетната индукција Б = 0, т.е. состојба на идеален дијамагнетизам. Овој феномен се нарекува ефект на Мајснер.

Многумина веруваат дека Мајснер -ефектот е најосновното својство на суперпроводниците. Навистина, постоењето на нула отпор неизбежно произлегува од овој ефект. Впрочем, површинските струјни скрининг се константни во времето и не ослабуваат во немерливо магнетно поле. Во тенок површински слој на суперпроводник, овие струи создаваат сопствено магнетно поле, кое е строго еднакво и спротивно на надворешното поле. Во суперпроводник, овие две спротивни магнетни полиња се додаваат така што вкупното магнетно поле станува еднакво на нула, иако условите на полето коегзистираат, и затоа тие зборуваат за ефектот на „туркање“ на надворешното магнетно поле надвор од суперпроводникот.

Да претпоставиме дека во почетната состојба идеалниот проводник се лади под критичната температура и нема надворешно магнетно поле. Ајде сега да воведеме таков идеален проводник во надворешно магнетно поле. Полето во примерокот не е продира, што шематски е прикажано на сл. 1 . Веднаш по појавата на надворешно поле, се појавува струја на површината на идеален проводник, создавајќи, според правилото на Ленц, сопствено магнетно поле насочено спротивно на применетото, а вкупното поле во примерокот ќе биде еднакво на нула На

Ова може да се докаже со користење на равенките на Максвел. При промена на индукција Ввнатре во примерокот треба да се појави електрично поле Е:

Каде со - брзината на светлината во вакуум. Но, во идеален проводник R = 0, бидејќи

E = jс,

каде c е отпорноста, која во нашиот случај е еднаква на нула, је густината на индуцираната струја. Оттука следува дека Б= const, но бидејќи пред да се внесе шаблонот во полето В= 0, тогаш е јасно дека В= 0 и откако ќе влезете во полето. Ова може да се толкува и на следниов начин: бидејќи c = 0, времето на пенетрација на магнетното поле во идеален проводник е бесконечно.

Значи, има идеален проводник воведен во надворешно магнетно поле В= 0 во која било точка од примерокот. Сепак, истата состојба (идеален проводник кај Т<Т со во надворешно магнетно поле) може да се постигне на друг начин: прво, нанесете надворешно поле на „топол“ примерок, а потоа изладете го на температура Т<Т со .

Електродинамиката предвидува сосема поинаков резултат за идеален проводник. Навистина, примерокот кај Т> Т со има отпор и магнетното поле добро продира во него. Откако ќе го изладите долу Т со полето ќе остане во примерокот. Оваа ситуација е прикажана на сл. 2

Така, покрај нула отпор, суперпроводниците имаат уште едно основно својство - идеален дијамагнетизам. Исчезнувањето на магнетното поле внатре е поврзано со појава на постојани површински струи во суперпроводникот. Но, магнетното поле не може целосно да се исфрли, затоа што тоа би значело дека магнетното поле на површината нагло паѓа од крајната вредност Вдо нула. За ова, неопходно е струја со бесконечна густина да тече над површината, што е невозможно. Следствено, магнетното поле продира длабоко во суперпроводникот, до одредена длабочина n.

Ефектот Мајснер-Оксенфелд е забележан само на слаби полиња. Со зголемување на јачината на магнетното поле до вредност Х цмуништена е суперспроводливата состојба. Ова поле се нарекува критично Х цмОдносот помеѓу критичното магнетно поле и критичната температура е добро опишан со емпириската формула (6).

Х цм (Т) =Х цм (0) [1- (Т / Т в ) 2 ] (6)

Каде Х цм (0) - критично поле екстраполирано до апсолутна нула .

Графикот на оваа зависност е прикажан на слика 3. Овој график може да се смета и како фазен дијаграм, каде што секоја точка од сивиот дел одговара на суперспроводливата состојба, а белата област - на нормалната.

Според природата на пенетрација на магнетното поле, суперпроводниците се поделени на суперпроводници од прв и втор вид. Во суперпроводник од прв вид, магнетното поле не продира додека јачината на полето не ја достигне вредноста Х цм... Ако полето ја надмине критичната вредност, тогаш суперпроводната состојба е уништена и полето целосно продира во примерокот. Суперпроводниците од првиот вид ги вклучуваат сите хемиски елементи на суперпроводници, освен ниобиум.

Пресметано е дека некои работи се завршуваат кога металот преминува од нормално во суперпроводливост. Кој е, точно, изворот на ова дело? Фактот дека суперпроводникот има помала енергија од истиот метал во неговата нормална состојба.

Јасно е дека суперпроводникот може да си го дозволи „луксузот“ на ефектот Мајснер поради добивката во енергија. Притискањето надвор од магнетното поле ќе се одвива с the додека зголемувањето на енергијата поврзана со овој феномен се компензира со поефикасно намалување на енергијата поврзано со транзицијата на металот во суперспроводлива состојба. Во доволно магнетни полиња, енергетски поповолна не е суперспроводливата состојба, туку нормалната состојба, во која полето слободно продира во примерокот.

Нулта отпорност не е единствената карактеристика на суперспроводливоста. Една од главните разлики помеѓу суперпроводниците и идеалните проводници е ефектот Мејснер, откриен од Валтер Мајснер и Роберт Охенсфелд во 1933 година.

Ефектот Мајснер се состои во „туркање“ на магнетното поле надвор од делот од просторот што го зафаќа суперпроводникот. Ова е предизвикано од постоењето на постојани струи во внатрешноста на суперпроводникот, кои создаваат внатрешно магнетно поле спротивно и го компензираат применетото надворешно магнетно поле.

Кога суперпроводникот се лади во надворешно константно магнетно поле, во моментот на транзиција во состојба на суперспроводливост, магнетното поле е целосно поместено од неговиот волумен. Така суперпроводникот се разликува од идеалниот проводник, во кој, кога отпорот паѓа на нула, индукцијата на магнетното поле во волуменот мора да остане непроменета.

Отсуството на магнетно поле во волуменот на проводникот ни овозможува да заклучиме од општите закони на магнетното поле дека во него постои само површинска струја. Тоа е физички реално и затоа зафаќа тенок слој во близина на површината. Магнетното поле на струјата го уништува надворешното магнетно поле во суперпроводникот. Во овој поглед, суперпроводникот се однесува формално како идеален дијамагнет. Сепак, тоа не е дијамагнет, бидејќи внатре во него, магнетизацијата е нула.

Ефектот на Мајснер првпат го објаснија браќата Фриц и Хајнц Лондон. Тие покажаа дека во суперпроводник магнетното поле продира до фиксна длабочина од површината - длабочина на пенетрација во Лондон на магнетното поле λ ... За метали l ~ 10 -2 μm.

Мали се чистите супстанции во кои се забележува феноменот на суперспроводливост. Почесто, суперспроводливоста се јавува кај легурите. За чисти супстанции, се случува целосниот ефект на Мејснер, додека за легурите нема целосно исфрлање на магнетното поле од волуменот (делумен ефект на Мајснер). Се нарекуваат супстанции што го покажуваат целосниот ефект на Мејснер суперпроводници од прв вид и делумно - суперпроводници од втор вид .

Суперпроводниците од вториот вид во волуменот имаат кружни струи кои создаваат магнетно поле, кое, сепак, не го исполнува целиот волумен, туку се дистрибуира во него во форма на посебни нишки. Што се однесува до отпорот, тој е еднаков на нула, како кај суперпроводниците од типот I.

Транзицијата на супстанција во состојба на суперспроводливост е придружена со промена на неговите термички својства. Сепак, оваа промена зависи од видот на суперпроводници за кои станува збор. Значи, за суперпроводници од тој вид во отсуство на магнетно поле на преодна температура Т Втоплината на транзицијата (апсорпција или ослободување) исчезнува, и затоа топлинскиот капацитет претрпува скок, што е карактеристично за фазна транзиција од тој вид. Кога преминот од состојба на суперспроводливост во нормална состојба се врши со промена на применетото магнетно поле, тогаш топлината мора да се апсорбира (на пример, ако примерокот е термички изолиран, тогаш неговата температура се намалува). И ова одговара на фазна транзиција од тој вид. За суперпроводници од тој вид, преминот од суперспроводливост во нормална состојба под какви било услови ќе биде фазен премин од тој вид.

Феноменот на туркање од магнетното поле може да се забележи во експериментот наречен „ковчегот на Махомет“. Ако магнет е поставен на површината на рамномерен суперпроводник, тогаш може да се забележи левитација - магнетот ќе виси на одредено растојание од површината без да го допира. Дури и во полињата со индукција од редот на 0,001 Т, забележливо е поместување на магнетот нагоре со растојание од редот на сантиметар. Ова се должи на фактот дека магнетното поле е истуркано од суперпроводникот, така што магнетот што се приближува до суперпроводникот ќе „види“ магнет со ист поларитет и точно иста големина - што ќе предизвика левитација.

Името на овој експеримент - „ковчегот на Мохамед“ - е поврзано со фактот дека, според легендата, ковчегот со телото на пророкот Мухамед виси во вселената без никаква поддршка.

Првото теоретско објаснување за суперспроводливоста било дадено во 1935 година од Фриц и Хајнц Лондон. Поопшта теорија беше развиена во 1950 година од Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбург. Таа стана широко распространета и е позната како теорија на Гинзбург-Ландау. Сепак, овие теории беа феноменолошки по природа и не ги открија деталните механизми на суперспроводливост. За прв пат, суперспроводливоста на микроскопско ниво беше објаснета во 1957 година во работата на американските физичари Џон Бардин, Леон Купер и Џон Шрифер. Централниот елемент на нивната теорија, наречена теорија BCS, е таканаречените Купер парови на електрони.

Во 1933 година, германскиот физичар Валтер Фриц Мејснер, заедно со неговиот колега Роберт Охсенфелд, го открија ефектот што подоцна беше именуван по него. Мајснеровиот ефект е дека при преминот во суперспроводлива состојба, доаѓа до целосно поместување на магнетното поле од волуменот на проводникот. Ова може јасно да се види со помош на експериментот, кој го доби името „Ковчегот на Мохамед“ (според легендата, ковчегот на муслиманскиот пророк Мухамед виси во воздух без физичка поддршка). Во оваа статија ќе разговараме за ефектот Мајснер и неговите идни и сегашни практични примени.

Во 1911 година, Хајке Камерлинг -Онес направи важно откритие - суперспроводливост. Тој докажа дека ако изладите некои супстанции на температура од 20 К, тогаш тие не покажуваат отпорност на електрична струја. Ниската температура ги „смирува“ случајните вибрации на атомите, а електричната енергија не се спротивставува.

По ова откритие, вистинска трка започна да пронаоѓа супстанции на кои нема да им одолее без ладење, на пример на обична собна температура. Таквиот суперпроводник ќе може да пренесува електрична енергија на огромни растојанија. Факт е дека конвенционалните далноводи губат значително количество електрична струја, само поради отпорот. Во меѓувреме, физичарите ги спроведуваат своите експерименти со ладење на суперпроводници. И еден од најпопуларните експерименти е демонстрацијата на ефектот Мајснер. Можете да најдете многу видеа на интернет што го покажуваат овој ефект. Објавивме еден што најдобро го покажува ова.

За да се демонстрира експериментот на левитација на магнет над суперпроводник, неопходно е да се земе високотемпературна суперспроводлива керамика и магнет. Керамиката се лади со азот до ниво на суперспроводливост. Струја е поврзана со неа и магнет се става на врвот. Во полињата од 0,001 Т, магнетот се поместува нагоре и левитира над суперпроводникот.

Ефектот се објаснува со фактот дека при преминот на супстанцијата во суперспроводливост, магнетното поле се истиснува од неговиот волумен.

Како може да се примени ефектот Мајснер во пракса? Веројатно секој читател на оваа страница видел многу научно -фантастични филмови во кои автомобилите лебделе над патот. Ако е можно да се измисли супстанција што ќе се претвори во суперпроводник на температура, да речеме, не пониска од +30, тогаш ова повеќе нема да биде фантазија.

Но, што е со возовите со куршуми, кои исто така лебдат над пругата. Да, тие веќе постојат. Но, за разлика од Ефектот на Мајснер, постојат и други закони на физиката кои работат: одбивање на еднополарните страни на магнетите. За жал, високата цена на магнетите не дозволува широка употреба на оваа технологија. Со пронаоѓањето на суперпроводник кој не треба да се лади, летечките автомобили ќе станат реалност.

Во меѓувреме, волшебниците го усвоија Ефектот на Мејснер. За вас откривме еден од овие погледи на мрежата. Трупата „Егсос“ ги покажува своите трикови. Нема магија, само физика.

Феноменот првпат бил забележан во 1933 година од германските физичари Мајснер и Охсенфелд. Мајснеровиот ефект се заснова на феноменот на целосно поместување на магнетното поле од материјалот за време на преминот во суперспроводлива состојба. Објаснувањето на ефектот е поврзано со строго нулта вредност на електричниот отпор на суперпроводниците. Продирањето на магнетно поле во обичен проводник е поврзано со промена на магнетниот тек, што, пак, создава ЕМФ на индукција и индуцирани струи кои спречуваат промена на магнетниот флукс.

Магнетното поле продира во суперпроводникот до длабочина, поместувајќи го магнетното поле од суперпроводникот со константа, наречена лондонска константа:

. (3.54)

Ориз. 3.17 Шема на ефектот Мајснер.

На сликата се прикажани линиите на магнетното поле и нивното поместување од суперпроводник на температура под критичната.

Кога температурата поминува низ критична вредност, магнетното поле во суперпроводникот нагло ќе се промени, што доведува до појава на ЕМФ импулс во индукторот.

Ориз. 3,18 Сензор за ефект на Мајснер.

Овој феномен се користи за мерење на ултра слабите магнетни полиња за создавање криотрони(преклопни уреди).

Ориз. 3.19 Дизајн и означување на криотронот.

Структурно, криотронот се состои од два суперпроводници. Намотка од ниобиум е намотана околу танталниот проводник, низ која тече контролна струја. Со зголемување на контролната струја, јачината на магнетното поле се зголемува, а танталот преминува од состојба на суперспроводливост во обична состојба. Во овој случај, спроводливоста на танталниот проводник остро се менува, а работната струја во колото практично исчезнува. Врз основа на криотроните, на пример, се создаваат контролирани вентили.