efekt Meissnera

Efekt Meissnera to całkowite przemieszczenie pola magnetycznego z objętości przewodnika podczas jego przejścia do stanu nadprzewodzącego. Gdy nadprzewodnik jest chłodzony w zewnętrznym stałym polu magnetycznym, w momencie przejścia w stan nadprzewodnictwa, pole magnetyczne jest całkowicie wypierane z jego objętości. W ten sposób nadprzewodnik różni się od przewodnika idealnego, w którym gdy opór spada do zera, indukcja pola magnetycznego w objętości musi pozostać niezmieniona.

Brak pola magnetycznego w objętości przewodnika pozwala nam wnioskować z ogólnych praw pola magnetycznego, że istnieje w nim tylko prąd powierzchniowy. Jest fizycznie rzeczywisty i dlatego zajmuje cienką warstwę w pobliżu powierzchni. Pole magnetyczne prądu niszczy zewnętrzne pole magnetyczne wewnątrz nadprzewodnika. Pod tym względem nadprzewodnik zachowuje się formalnie jak idealny diamagnes. Nie jest to jednak diamagnes, ponieważ w nim namagnesowanie wynosi zero.

Teoria nadprzewodnictwa

W ekstremalnie niskich temperaturach wiele substancji ma odporność co najmniej 10-12 razy mniejszą niż w temperaturze pokojowej. Eksperymenty pokazują, że jeśli wytworzysz prąd w zamkniętej pętli nadprzewodników, to prąd ten nadal krąży bez źródła pola elektromagnetycznego. Prądy Foucaulta w nadprzewodnikach utrzymują się przez bardzo długi czas i nie zanikają z powodu braku ciepła Joule'a (prądy do 300A płyną przez wiele godzin z rzędu). Badanie przepływu prądu przez szereg różnych przewodników wykazało, że rezystancja styków między nadprzewodnikami również jest równa zeru. Charakterystyczną cechą nadprzewodnictwa jest brak zjawiska Halla. O ile w zwykłych przewodnikach pod wpływem pola magnetycznego prąd w metalu jest przemieszczany, o tyle w nadprzewodnikach zjawisko to nie występuje. Prąd w nadprzewodniku jest niejako nieruchomy. Nadprzewodnictwo zanika pod wpływem następujących czynników:

• 1) wzrost temperatury;
• 2) działanie dostatecznie silnego pola magnetycznego;
• 3) wystarczająco duża gęstość prądu w próbce;

Wraz ze wzrostem temperatury prawie nagle pojawia się zauważalna rezystancja omowa. Im bardziej jednorodna jest próbka, tym bardziej strome i bardziej zauważalne jest przejście od nadprzewodnictwa do przewodnictwa (najstromisze przejście obserwuje się w monokryształach). Przejście ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego można przeprowadzić poprzez zwiększenie pola magnetycznego w temperaturze poniżej temperatury krytycznej.

W 1913 roku. Niemieccy fizycy Meissner i Ochsenfeld postanowili eksperymentalnie przetestować, jak dokładnie pole magnetyczne jest rozłożone wokół nadprzewodnika. Wynik był nieoczekiwany. Niezależnie od warunków eksperymentu pole magnetyczne nie przeniknęło do przewodnika. Uderzającym faktem było to, że nadprzewodnik schłodzony poniżej temperatury krytycznej w stałym polu magnetycznym spontanicznie wypycha to pole ze swojej objętości, przechodząc w stan, w którym indukcja magnetyczna B = 0, tj. stan idealnego diamagnetyzmu. Zjawisko to nazywa się efektem Meissnera.

Wielu uważa, że ​​efekt Meissnera jest najbardziej podstawową właściwością nadprzewodników. Rzeczywiście, z tego efektu nieuchronnie wynika istnienie zerowego oporu. W końcu prądy ekranujące powierzchni są stałe w czasie i nie tłumią się w niemierzalnym polu magnetycznym. W cienkiej warstwie powierzchniowej nadprzewodnika prądy te wytwarzają własne pole magnetyczne, które jest ściśle równe i przeciwne do pola zewnętrznego. W nadprzewodniku te dwa przeciwstawne pola magnetyczne są dodawane tak, że całkowite pole magnetyczne staje się równe zeru, chociaż warunki tego pola istnieją razem, a zatem mówią o efekcie „wypchnięcia” zewnętrznego pola magnetycznego z nadprzewodnika .

Niech idealny przewodnik w stanie początkowym zostanie schłodzony poniżej temperatury krytycznej i nie będzie zewnętrznego pola magnetycznego. Wprowadźmy teraz taki idealny przewodnik do zewnętrznego pola magnetycznego. Pole w próbce nie jest wnika, co pokazano schematycznie na ryc. 1 . Natychmiast po pojawieniu się pola zewnętrznego na powierzchni idealnego przewodnika powstaje prąd, który zgodnie z regułą Lenza wytwarza własne pole magnetyczne skierowane przeciwnie do przyłożonego, a całkowite pole w próbce będzie równe zeru .

Można to udowodnić za pomocą równań Maxwella. Przy zmianie indukcji V wewnątrz próbki powinno pojawić się pole elektryczne E:

Gdzie z - prędkość światła w próżni. Ale w idealnym przewodniku R = 0, ponieważ

E = js,

gdzie c jest rezystywnością, która w naszym przypadku jest równa zeru, J jest gęstością indukowanego prądu. Stąd wynika, że b= const, ale skoro przed wpisaniem wzorca w pole V= 0, to jest jasne, że V= 0 i po wejściu w pole. Można to również interpretować w następujący sposób: ponieważ c = 0, czas wnikania pola magnetycznego w idealny przewodnik jest nieskończony.

Zatem idealny przewodnik wprowadzony do zewnętrznego pola magnetycznego ma V= 0 w dowolnym punkcie próbki. Jednak ten sam stan (idealny przewodnik w T<T z w zewnętrznym polu magnetycznym) można osiągnąć w inny sposób: najpierw przyłożyć zewnętrzne pole do „ciepłej” próbki, a następnie schłodzić ją do temperatury T<T z .

Elektrodynamika przewiduje zupełnie inny wynik dla idealnego przewodnika. Rzeczywiście, próbka w T> T z ma opór i dobrze w nią wnika pole magnetyczne. Po schłodzeniu poniżej T z pole pozostanie w próbce. Sytuację tę przedstawiono na ryc. 2.

Tak więc, oprócz zerowej rezystancji, nadprzewodniki mają jeszcze jedną podstawową właściwość - idealny diamagnetyzm. Zanik pola magnetycznego wewnątrz wiąże się z pojawieniem się trwałych prądów powierzchniowych w nadprzewodniku. Ale pole magnetyczne nie może być całkowicie wypchnięte, ponieważ oznaczałoby to, że pole magnetyczne na powierzchni gwałtownie spada ze skończonej wartości V do zera. W tym celu konieczne jest, aby po powierzchni płynął prąd o nieskończonej gęstości, co jest niemożliwe. W konsekwencji pole magnetyczne wnika głęboko w nadprzewodnik, na pewną głębokość n.

Efekt Meissnera-Oxenfelda obserwuje się tylko w słabych polach. Wraz ze wzrostem natężenia pola magnetycznego do wartości h cm stan nadprzewodnictwa zostaje zniszczony. To pole nazywa się krytycznym h cm Związek pomiędzy krytycznym polem magnetycznym a temperaturą krytyczną dobrze opisuje wzór empiryczny (6).

h cm (T) =h cm (0) [1- (T / T C ) 2 ] (6)

Gdzie h cm (0) - pole krytyczne ekstrapolowane do zera bezwzględnego .

Wykres tej zależności pokazano na rysunku 3. Wykres ten można również traktować jako diagram fazowy, gdzie każdy punkt szarej części odpowiada stanowi nadprzewodnictwa, a biały obszar - normalnemu.

W zależności od charakteru penetracji pola magnetycznego nadprzewodniki dzieli się na nadprzewodniki pierwszego i drugiego rodzaju. W nadprzewodniku pierwszego rodzaju pole magnetyczne nie przenika, dopóki natężenie pola nie osiągnie wartości h cm... Jeśli pole przekroczy wartość krytyczną, stan nadprzewodnictwa zostaje zniszczony, a pole całkowicie wnika w próbkę. Nadprzewodniki pierwszego rodzaju obejmują wszystkie pierwiastki chemiczne nadprzewodników, z wyjątkiem niobu.

Obliczono, że pewna praca jest wykonywana, gdy metal przechodzi ze stanu normalnego do nadprzewodnictwa. Jakie dokładnie jest źródło tej pracy? Fakt, że nadprzewodnik ma niższą energię niż ten sam metal w stanie normalnym.

Oczywiste jest, że nadprzewodnik może sobie pozwolić na „luksus” efektu Meissnera ze względu na przyrost energii. Wypychanie pola magnetycznego będzie następowało tak długo, jak długo związany z tym zjawiskiem wzrost energii będzie kompensowany efektywniejszym spadkiem energii związanym z przejściem metalu do stanu nadprzewodzącego. W wystarczająco silnych polach magnetycznych to nie stan nadprzewodnictwa jest energetycznie bardziej korzystny, ale stan normalny, w którym pole swobodnie wnika w próbkę.

Zerowy opór to nie jedyna cecha nadprzewodnictwa. Jedną z głównych różnic między nadprzewodnikami a idealnymi przewodnikami jest efekt Meissnera, odkryty przez Waltera Meissnera i Roberta Ochsenfelda w 1933 roku.

Efekt Meissnera polega na „wypychaniu” pola magnetycznego przez nadprzewodnik z zajmowanej przez niego części przestrzeni. Jest to spowodowane istnieniem wewnątrz nadprzewodnika trwałych prądów, które wytwarzają wewnętrzne pole magnetyczne przeciwne i kompensujące przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne.

Gdy nadprzewodnik jest chłodzony w zewnętrznym stałym polu magnetycznym, w momencie przejścia w stan nadprzewodnictwa, pole magnetyczne jest całkowicie wypierane z jego objętości. W ten sposób nadprzewodnik różni się od przewodnika idealnego, w którym przy spadku rezystancji do zera indukcja pola magnetycznego w objętości musi pozostać niezmieniona.

Brak pola magnetycznego w objętości przewodnika pozwala nam wnioskować z ogólnych praw pola magnetycznego, że istnieje w nim tylko prąd powierzchniowy. Jest fizycznie rzeczywisty i dlatego zajmuje cienką warstwę w pobliżu powierzchni. Pole magnetyczne prądu niszczy zewnętrzne pole magnetyczne wewnątrz nadprzewodnika. Pod tym względem nadprzewodnik zachowuje się formalnie jak idealny diamagnes. Nie jest to jednak diamagnes, ponieważ wewnątrz niego namagnesowanie wynosi zero.

Efekt Meissnera po raz pierwszy wyjaśnili bracia Fritz i Heinz London. Wykazali, że w nadprzewodniku pole magnetyczne penetruje na ustaloną głębokość od powierzchni - głębokość penetracji pola magnetycznego London λ ... Do metali l ~ 10 -2 μm.

Czystych substancji, w których obserwuje się zjawisko nadprzewodnictwa, jest niewiele. Częściej w stopach występuje nadprzewodnictwo. W przypadku substancji czystych zachodzi pełny efekt Meissnera, natomiast dla stopów nie dochodzi do całkowitego wyrzucenia pola magnetycznego z objętości (częściowy efekt Meissnera). Substancje wykazujące pełny efekt Meissnera nazywane są nadprzewodniki pierwszego rodzaju i częściowe - nadprzewodniki drugiego rodzaju .

Nadprzewodniki drugiego rodzaju mają w objętości prądy kołowe, które wytwarzają pole magnetyczne, które jednak nie wypełnia całej objętości, lecz jest w niej rozłożone w postaci oddzielnych włókien. Rezystancja jest równa zeru, jak w nadprzewodnikach typu I.

Przejściu substancji do stanu nadprzewodzącego towarzyszy zmiana jej właściwości termicznych. Zmiana ta zależy jednak od rodzaju nadprzewodników, o których mowa. Tak więc dla nadprzewodników tego rodzaju przy braku pola magnetycznego w temperaturze przejścia TC ciepło przemiany (absorpcji lub uwalniania) zanika, a zatem pojemność cieplna ulega skokowi, co jest charakterystyczne dla tego rodzaju przemiany fazowej. Gdy przejście ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego odbywa się poprzez zmianę przyłożonego pola magnetycznego, wówczas ciepło musi zostać pochłonięte (na przykład, jeśli próbka jest izolowana termicznie, wówczas jej temperatura spada). A to odpowiada takiemu przejściu fazowemu. W przypadku nadprzewodników tego rodzaju przejście od stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego w każdych warunkach będzie przejściem fazowym tego rodzaju.

Zjawisko wypychania pola magnetycznego można zaobserwować w eksperymencie zwanym "trumną Mahometa". Jeśli magnes zostanie umieszczony na powierzchni płaskiego nadprzewodnika, można zaobserwować lewitację - magnes będzie wisiał w pewnej odległości od powierzchni, nie dotykając jej. Nawet w polach o indukcji rzędu 0,001 T zauważalne jest przesunięcie magnesu w górę o odległość rzędu centymetra. Dzieje się tak, ponieważ pole magnetyczne jest wypychane z nadprzewodnika, więc magnes zbliżający się do nadprzewodnika „zobaczy” magnes o tej samej polaryzacji i dokładnie tej samej wielkości – co spowoduje lewitację.

Nazwa tego eksperymentu – „trumna Mahometa” – wiąże się z tym, że według legendy trumna z ciałem Proroka Mahometa wisiała w przestrzeni bez żadnego podparcia.

Pierwsze teoretyczne wyjaśnienie nadprzewodnictwa podali w 1935 roku Fritz i Heinz London. Bardziej ogólną teorię opracował w 1950 r. L.D. Landau i V.L. Ginzburga. Stała się powszechna i znana jest jako teoria Ginzburga-Landaua. Teorie te miały jednak charakter fenomenologiczny i nie ujawniały szczegółowych mechanizmów nadprzewodnictwa. Po raz pierwszy nadprzewodnictwo na poziomie mikroskopowym zostało wyjaśnione w 1957 roku w pracy amerykańskich fizyków Johna Bardeena, Leona Coopera i Johna Schrieffera. Centralnym elementem ich teorii, zwanej teorią BCS, są tak zwane pary elektronów Coopera.

W 1933 roku niemiecki fizyk Walter Fritz Meissner wraz ze swoim kolegą Robertem Ochsenfeldem odkryli efekt, który później nazwano jego imieniem. Efekt Meissnera polega na tym, że podczas przejścia do stanu nadprzewodzącego następuje całkowite przemieszczenie pola magnetycznego z objętości przewodnika. Można to wyraźnie zaobserwować za pomocą eksperymentu, któremu nadano nazwę „Trumna Mahometa” (według legendy trumna muzułmańskiego proroka Mahometa wisiała w powietrzu bez fizycznego podparcia). W tym artykule omówimy efekt Meissnera i jego przyszłość oraz przedstawimy praktyczne zastosowania.

W 1911 roku Heike Kamerling-Onnes dokonała ważnego odkrycia – nadprzewodnictwa. Udowodnił, że jeśli schłodzisz niektóre substancje do temperatury 20 K, to nie wykazują odporności na prąd elektryczny. Niska temperatura „uspokaja” przypadkowe drgania atomów i nie stawia oporu elektryczności.

Po tym odkryciu prawdziwy wyścig zaczął szukać substancji, które nie wytrzymałyby bez chłodzenia, na przykład w zwykłej temperaturze pokojowej. Taki nadprzewodnik będzie w stanie przesyłać prąd na gigantyczne odległości. Faktem jest, że konwencjonalne linie energetyczne tracą znaczną ilość prądu elektrycznego, tylko z powodu rezystancji. W międzyczasie fizycy przeprowadzają eksperymenty z chłodzeniem nadprzewodników. Jednym z najpopularniejszych eksperymentów jest demonstracja efektu Meissnera. W sieci można znaleźć wiele filmów pokazujących ten efekt. Opublikowaliśmy jeden, który najlepiej to pokazuje.

Aby zademonstrować eksperyment lewitacji magnesu nad nadprzewodnikiem, należy wziąć wysokotemperaturową ceramikę nadprzewodzącą i magnes. Ceramika jest chłodzona azotem do poziomu nadprzewodnictwa. Podłącza się do niego prąd, a na górze umieszczany jest magnes. W polach 0,001 T magnes przesuwa się w górę i lewituje nad nadprzewodnikiem.

Efekt tłumaczy się tym, że podczas przejścia substancji w nadprzewodnictwo pole magnetyczne jest wypychane z jej objętości.

Jak można zastosować efekt Meissnera w praktyce? Zapewne każdy czytelnik tej strony widział wiele filmów science fiction, w których samochody unosiły się nad drogą. Jeśli możliwe będzie wynalezienie substancji, która zamieni się w nadprzewodnik w temperaturze, powiedzmy, nie niższej niż +30, to nie będzie to już fantazja.

Ale co z pociągami-pociskami, które również unoszą się nad torami kolejowymi. Tak, już istnieją. Ale w przeciwieństwie do efektu Meissnera, działają inne prawa fizyki: odpychanie jednobiegunowych stron magnesów. Niestety wysoki koszt magnesów nie pozwala na szerokie zastosowanie tej technologii. Wraz z wynalezieniem nadprzewodnika, który nie wymaga chłodzenia, latające samochody staną się rzeczywistością.

W międzyczasie magowie przyjęli Efekt Meissnera. Wykopaliśmy dla ciebie jeden z tych widoków w sieci. Zespół „Exos” pokazuje swoje sztuczki. Żadnej magii, tylko fizyka.

Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwowali w 1933 roku niemieccy fizycy Meissner i Ochsenfeld. Efekt Meissnera opiera się na zjawisku całkowitego przemieszczenia pola magnetycznego z materiału podczas przejścia do stanu nadprzewodzącego. Wyjaśnienie tego efektu wiąże się ze ściśle zerową wartością rezystancji elektrycznej nadprzewodników. Przenikanie pola magnetycznego do zwykłego przewodnika wiąże się ze zmianą strumienia magnetycznego, co z kolei powoduje powstawanie pola elektromagnetycznego prądów indukcyjnych i indukowanych, które zapobiegają zmianie strumienia magnetycznego.

Pole magnetyczne wnika w nadprzewodnik na głębokość, wypierając pole magnetyczne z nadprzewodnika o stałą, zwaną stałą London:

. (3.54)

Ryż. 3.17 Schemat efektu Meissnera.

Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego i ich przemieszczenie od nadprzewodnika w temperaturze poniżej temperatury krytycznej.

Gdy temperatura przekroczy wartość krytyczną, pole magnetyczne w nadprzewodniku zmieni się gwałtownie, co prowadzi do pojawienia się impulsu EMF w cewce indukcyjnej.

Ryż. 3.18 Czujnik efektu Meissnera.

Zjawisko to służy do pomiaru ultrasłabych pól magnetycznych do tworzenia kriotrony(urządzenia przełączające).

Ryż. 3.19 Konstrukcja i oznaczenie kriotronu.

Strukturalnie kriotron składa się z dwóch nadprzewodników. Cewka niobowa jest nawinięta wokół przewodnika tantalowego, przez który przepływa prąd sterujący. Wraz ze wzrostem prądu sterującego wzrasta natężenie pola magnetycznego, a tantal przechodzi ze stanu nadprzewodnictwa do stanu zwykłego. W tym przypadku przewodność przewodnika tantalu zmienia się gwałtownie, a prąd roboczy w obwodzie praktycznie znika. Na podstawie kriotronów tworzone są np. zawory sterowane.