Epekto ng meissner

Ang Meissner effect ay isang kumpletong pag-aalis ng magnetic field mula sa dami ng isang konduktor sa paglipat nito sa isang superconducting na estado. Kapag ang isang superconductor ay pinalamig sa isang panlabas na pare-parehong magnetikong patlang, sa sandaling paglipat sa estado ng superconducting, ang magnetic field ay ganap na nawala mula sa dami nito. Ito ay kung paano naiiba ang isang superconductor mula sa isang perpektong conductor, kung saan, kapag ang paglaban ay nahulog sa zero, ang magnetic field induction sa dami ay dapat manatiling hindi nagbabago.

Ang kawalan ng isang magnetic field sa dami ng conductor ay nagbibigay-daan sa amin upang tapusin mula sa mga pangkalahatang batas ng magnetic field na tanging kasalukuyang ibabaw lamang ang umiiral dito. Ito ay pisikal na totoo at samakatuwid ay sumakop sa ilang manipis na layer malapit sa ibabaw. Ang magnetic field ng kasalukuyang sinisira ang panlabas na magnetic field sa loob ng superconductor. Sa paggalang na ito, ang isang superconductor ay kumikilos nang pormal bilang isang perpektong diamagnet. Gayunpaman, ito ay hindi isang diamagnet, dahil ang magnetization sa loob nito ay zero.

Teorya ng superconductivity

Sa sobrang mababang temperatura, ang isang bilang ng mga sangkap ay may pagtutol na hindi bababa sa 10-12 beses na mas mababa kaysa sa temperatura ng kuwarto. Ipinapakita ng mga eksperimento na kung lumikha ka ng isang kasalukuyang sa isang closed loop ng superconductors, kung gayon ang kasalukuyang ito ay patuloy na nagpapalipat-lipat nang walang pinagmulan ng EMF. Ang mga alon ng Foucault sa superconductors ay nagpatuloy sa isang mahabang panahon at hindi nabubulok dahil sa kakulangan ng init ng Joule (ang mga alon hanggang sa 300A ay patuloy na dumadaloy ng maraming oras sa isang hilera). Ang pag-aaral ng daanan ng kasalukuyang sa pamamagitan ng isang bilang ng iba't ibang mga conductor ay nagpakita na ang paglaban ng mga contact sa pagitan ng superconductors ay zero din. Ang isang natatanging tampok ng superconductivity ay ang kawalan ng kababalaghan sa Hall. Habang sa mga ordinaryong conductor, sa ilalim ng impluwensya ng isang magnetic field, ang kasalukuyang metal ay nawala, sa mga superconductors na hindi pangkaraniwang bagay na ito. Ang kasalukuyang sa superconductor ay, tulad nito, naayos sa lugar. Nawala ang superconductivity sa ilalim ng impluwensya ng mga sumusunod na kadahilanan:

• 1) pagtaas ng temperatura;
• 2) ang aksyon ng isang sapat na malakas na magnetic field;
• 3) isang sapat na mataas na kasalukuyang density sa sample;

Habang tumataas ang temperatura, lumilitaw ang isang kapansin-pansin na paglaban ng ohmic na biglang lumitaw. Ang paglipat mula sa superconductivity patungo sa kondaktibiti ay mas matarik at mas kapansin-pansin, mas magkaka-homogenous ang sample (ang matarik na paglipat ay sinusunod sa mga solong kristal). Ang paglipat mula sa superconducting na estado sa normal na estado ay maaaring isagawa sa pamamagitan ng pagtaas ng magnetic field sa isang temperatura sa ibaba ng kritikal.

Noong 1913. Ang mga pisiko ng Aleman na Meissner at Ochsenfeld ay nagpasya na pang-eksperimentong subukan kung paano eksakto ang magnetic field na ipinamamahagi sa paligid ng isang superconductor. Ang resulta ay hindi inaasahan. Anuman ang mga kundisyon ng eksperimento, ang magnetic field ay hindi tumagos sa conductor. Ang kamangha-manghang katotohanan ay ang isang superconductor na cooled sa ibaba ng kritikal na temperatura sa isang pare-pareho na magnetic field na kusang tinutulak ang patlang na ito mula sa dami nito, na dumadaan sa isang estado kung saan ang magnetic induction B = 0, ibig sabihin. ang estado ng perpektong diamagnetism. Ang kababalaghang ito ay tinatawag na Meissner effect.

Maraming naniniwala na ang Meissner effect ay ang pinaka pangunahing pag-aari ng superconductors. Sa katunayan, ang pagkakaroon ng zero na paglaban ay hindi maiiwasang sundin mula sa epektong ito. Pagkatapos ng lahat, ang mga alon sa pag-screen sa ibabaw ay pare-pareho sa oras at hindi nagpapahina sa isang hindi masusukat na magnetic field. Sa isang manipis na layer ng ibabaw ng isang superconductor, ang mga alon na ito ay lumikha ng kanilang sariling magnetic field, na mahigpit na pantay at kabaligtaran sa panlabas na patlang. Sa isang superconductor, ang dalawang kabaligtarang mga patlang na magnetik ay idinagdag upang ang kabuuang magnetikong patlang ay magiging pantay sa zero, bagaman ang mga termino ng patlang na magkakasamang buhay, at samakatuwid ay pinag-uusapan nila ang epekto ng "pagtulak" ng panlabas na magnetic field mula sa superconductor.

Hayaan ang perpektong conductor sa paunang estado ay cooled sa ibaba ng kritikal na temperatura at walang panlabas na magnetic field. Ipaalam sa amin ngayon ipakilala tulad ng isang perpektong conductor sa isang panlabas na magnetic field. Ang patlang sa sample ay hindi tumagos, na ipinapakita nang iskematiko sa Fig. 1 . Kaagad sa paglitaw ng isang panlabas na larangan, isang kasalukuyang arises sa ibabaw ng isang perpektong konduktor, lumilikha, ayon sa panuntunan ni Lenz, ang sarili nitong magnetic field na nakadirekta sa tapat ng inilapat, at ang kabuuang patlang sa sample ay katumbas ng zero .

Mapapatunayan ito gamit ang mga equation ni Maxwell. Kapag binabago ang induction V dapat lumitaw ang isang electric field E sa loob ng sample:

Kung saan kasama si - ang bilis ng ilaw sa isang vacuum. Ngunit sa isang perpektong conductor na R = 0, mula noon

E = jс,

kung saan c ay ang resistivity, na sa aming kaso ay katumbas ng zero, j ay ang density ng sapilitan kasalukuyang. Samakatuwid sumusunod ito B= const, ngunit mula noong bago ipasok ang pattern sa patlang V= 0, kung gayon malinaw na V= 0 at pagkapasok sa patlang. Maaari rin itong bigyang kahulugan tulad ng sumusunod: dahil sa c = 0, ang oras ng pagtagos ng magnetic field sa isang perpektong conductor ay walang katapusan.

Kaya, ang isang perpektong konduktor na ipinakilala sa isang panlabas na magnetic field ay mayroon V= 0 sa anumang punto sa sample. Gayunpaman, ang parehong estado (perpektong konduktor sa T<T kasama si sa isang panlabas na magnetic field) ay maaaring makamit sa ibang paraan: una, maglapat ng isang panlabas na patlang sa isang "mainit" na sample, at pagkatapos ay palamig ito sa isang temperatura T<T kasama si .

Hinuhulaan ng electrodynamics ang isang ganap na magkakaibang resulta para sa isang perpektong conductor. Sa katunayan, ang sample sa T> T kasama si ay may resistensya at ang magnetic field ay tumagos dito. Pagkatapos pinalamig ito sa ibaba T kasama si ang patlang ay mananatili sa sample. Ang sitwasyong ito ay inilalarawan sa Fig. 2.

Kaya, bilang karagdagan sa zero paglaban, ang mga superconductor ay may isa pang pangunahing pag-aari - perpektong diamagnetism. Ang pagkawala ng magnetikong patlang sa loob ay nauugnay sa paglitaw ng mga paulit-ulit na mga alon sa ibabaw sa superconductor. Ngunit ang magnetic field ay hindi maitulak nang tuluyan, sapagkat nangangahulugan ito na ang magnetikong patlang sa ibabaw ay bumagsak bigla mula sa huling halaga V hanggang sa zero. Para sa mga ito, kinakailangan na ang isang kasalukuyang walang katapusan na density ay dumadaloy sa ibabaw, na imposible. Dahil dito, ang magnetic field ay tumagos nang malalim sa superconductor, sa isang tiyak na lalim n.

Ang Meissner-Oxenfeld effect ay sinusunod lamang sa mga mahina na bukirin. Na may isang pagtaas sa lakas ng magnetic field sa isang halaga H cm ang superconducting state ay nawasak. Tinawag na kritikal ang larangan na ito H cm Ang ugnayan sa pagitan ng kritikal na magnetic field at ng kritikal na temperatura ay mahusay na inilarawan ng empirical formula (6).

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

Kung saan H cm (0) - Kritikal na larangan na nakuha sa ganap na zero .

Ang grap ng pagtitiwala na ito ay ipinapakita sa Larawan 3. Ang grap na ito ay maaari ring isaalang-alang bilang isang diagram ng yugto, kung saan ang bawat punto ng kulay-abong bahagi ay tumutugma sa estado ng superconducting, at sa puting lugar - sa normal na isa.

Ayon sa likas na katangian ng pagtagos ng magnetic field, ang mga superconductor ay nahahati sa mga superconductor ng una at pangalawang uri. Sa isang superconductor ng unang uri, ang magnetic field ay hindi tumagos hanggang sa maabot ang lakas ng patlang sa halaga H cm... Kung ang patlang ay lumampas sa kritikal na halaga, kung gayon ang estado na superconducting ay nawasak at ang patlang ay ganap na tumagos sa sample. Ang mga superconductor ng unang uri ay may kasamang lahat ng mga sangkap ng kemikal ng superconductors, maliban sa niobium.

Kinakalkula na ang ilang gawain ay tapos na kapag ang isang metal ay nagmula sa normal hanggang sa superconducting. Ano, eksakto, ang pinagmulan ng gawaing ito? Ang katotohanan na ang isang superconductor ay may mas mababang enerhiya kaysa sa parehong metal sa normal na estado nito.

Ito ay malinaw na ang isang superconductor ay kayang bayaran ang "karangyaan" ng Meissner epekto dahil sa pagkakaroon ng enerhiya. Ang pagpapatalsik ng magnetic field ay magaganap hangga't ang pagtaas ng enerhiya na nauugnay sa hindi pangkaraniwang bagay na ito ay binabayaran ng isang mas mabisang pagbawas ng enerhiya na nauugnay sa paglipat ng metal sa superconducting state. Sa sapat na mga patlang na pang-magnet, hindi ito ang superconducting na estado na masiglang mas kanais-nais, ngunit ang normal na estado, kung saan malayang tumagos ang patlang sa sample.

Ang paglaban ng zero ay hindi lamang ang tampok na superconductivity. Ang isa sa mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng superconductors at ideal conductors ay ang Meissner effect, na natuklasan nina Walter Meissner at Robert Ochsenfeld noong 1933.

Ang epektong Meissner ay binubuo sa "pagtulak" ng magnetic field mula sa bahagi ng puwang na sinakop ng superconductor. Ito ay sanhi ng pagkakaroon ng mga paulit-ulit na alon sa loob ng superconductor, na lumilikha ng panloob na magnetic field na kabaligtaran at bumabawi para sa inilapat na panlabas na magnetic field.

Kapag ang isang superconductor ay pinalamig sa isang panlabas na pare-parehong magnetikong patlang, sa sandaling paglipat sa estado ng superconducting, ang magnetic field ay ganap na nawala mula sa dami nito. Ito ay kung paano naiiba ang isang superconductor mula sa isang perpektong conductor, kung saan, kapag ang paglaban ay bumaba sa zero, ang magnetic field induction sa dami ay dapat manatiling hindi nagbabago.

Ang kawalan ng isang magnetic field sa dami ng conductor ay nagbibigay-daan sa amin upang tapusin mula sa mga pangkalahatang batas ng magnetic field na tanging kasalukuyang ibabaw lamang ang umiiral dito. Ito ay pisikal na totoo at samakatuwid ay sumasakop sa ilang manipis na layer malapit sa ibabaw. Ang magnetic field ng kasalukuyang sinisira ang panlabas na magnetic field sa loob ng superconductor. Sa paggalang na ito, ang isang superconductor ay kumikilos nang pormal bilang isang perpektong diamagnet. Gayunpaman, hindi ito isang diamagnet, mula noon sa loob nito, ang magnetization ay zero.

Ang Meissner effect ay unang ipinaliwanag ng magkapatid na Fritz at Heinz London. Ipinakita nila na sa isang superconductor ang magnetic field ay tumagos sa isang nakapirming lalim mula sa ibabaw - ang lalim ng pagpasok ng London ng magnetic field λ ... Para sa mga metal l ~ 10 -2 μm.

Ang mga purong sangkap kung saan sinusunod ang hindi pangkaraniwang bagay ng superconductivity ay kakaunti. Mas madalas, ang superconductivity ay nangyayari sa mga haluang metal. Para sa mga purong sangkap, ang buong epekto ng Meissner ay nagaganap, habang para sa mga haluang metal ay walang kumpletong pagpapatalsik ng magnetic field mula sa dami (bahagyang Meissner effect). Ang mga sangkap na nagpapakita ng buong epekto ng Meissner ay tinawag superconductors ng unang uri , at bahagyang - superconductors ng pangalawang uri .

Ang mga superconductor ng pangalawang uri ay may pabilog na alon sa dami na lumilikha ng isang magnetic field, na, gayunpaman, ay hindi pinupuno ang buong dami, ngunit ipinamamahagi dito sa anyo ng magkakahiwalay na mga filament. Tulad ng para sa paglaban, ito ay katumbas ng zero, tulad ng sa mga superconductor na uri ko.

Ang paglipat ng isang sangkap sa isang superconducting na estado ay sinamahan ng isang pagbabago sa mga thermal na katangian. Gayunpaman, ang pagbabagong ito ay nakasalalay sa uri ng pinag-uusapan na superconductors. Kaya, para sa mga superconductors ng uri sa kawalan ng isang magnetic field sa temperatura ng paglipat T C ang init ng paglipat (pagsipsip o paglabas) ay nawala, at samakatuwid ang kapasidad ng init ay sumailalim sa isang pagtalon, na katangian ng isang yugto ng paglipat ng uri. Kapag ang paglipat mula sa superconducting state patungo sa normal na estado ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagbabago ng inilapat na magnetic field, kung gayon ang init ay dapat na maunawaan (halimbawa, kung ang sample ay insulated ng thermally, pagkatapos ay bumababa ang temperatura nito). At tumutugma ito sa isang yugto ng paglipat ng uri. Para sa mga superconductors ng uri, ang paglipat mula sa superconducting sa normal na estado sa ilalim ng anumang mga kondisyon ay magiging isang phase transition ng uri.

Ang kababalaghan ng pagtulak palabas ng magnetikong larangan ay maaaring maobserbahan sa isang eksperimento na tinatawag na "kabaong ng Mahomet". Kung ang isang pang-akit ay inilalagay sa ibabaw ng isang superconductor ng eroplano, pagkatapos ay maaaring sundin ang levitation - ang magnet ay mag-hang sa isang tiyak na distansya mula sa ibabaw nang hindi hinawakan ito. Kahit na sa mga patlang na may isang induction ng pagkakasunud-sunod ng 0.001 T, ang isang pag-aalis ng pang-akit na paitaas sa pamamagitan ng isang distansya ng pagkakasunud-sunod ng isang sentimetro ay kapansin-pansin. Ito ay sapagkat ang magnetikong patlang ay itinulak palabas ng superconductor, kaya't ang isang magnet na papalapit sa superconductor ay "makakakita" ng isang pang-akit na magkakaparehong polarity at eksaktong eksaktong laki - na kung saan ay magiging sanhi ng levitation.

Ang pangalan ng eksperimentong ito - "ang kabaong ni Mohammed" - ay naiugnay sa katotohanan na, ayon sa alamat, ang kabaong kasama ang katawan ng Propeta na si Mohammed ay nakabitin sa kalawakan nang walang anumang suporta.

Ang unang paliwanag sa teoretikal para sa superconductivity ay ibinigay noong 1935 nina Fritz at Heinz London. Ang isang mas pangkalahatang teorya ay binuo noong 1950 ni L.D. Landau at V.L. Ginzburg. Ito ay naging laganap at kilala bilang teorya ng Ginzburg-Landau. Gayunpaman, ang mga teoryang ito ay likas na phenomenological at hindi isiwalat ang detalyadong mga mekanismo ng superconductivity. Sa kauna-unahang pagkakataon, ang superconductivity sa antas ng mikroskopiko ay ipinaliwanag noong 1957 sa gawain ng mga Amerikanong pisiko na sina John Bardeen, Leon Cooper at John Schrieffer. Ang gitnang elemento ng kanilang teorya, na tinatawag na teorya ng BCS, ay ang tinaguriang mga pares ng electron ng Cooper.

Noong 1933, natuklasan ng pisisista ng Aleman na si Walter Fritz Meissner, kasama ang kanyang kasamahan na si Robert Ochsenfeld, ang epekto na kalaunan ay pinangalanan sa kanya. Ang epekto ng Meissner ay habang sa paglipat sa superconducting na estado, mayroong isang kumpletong pag-aalis ng magnetic field mula sa dami ng conductor. Maaari itong malinaw na obserbahan sa tulong ng eksperimento, na binigyan ng pangalang "The Coffin of Mohammed" (ayon sa alamat, ang kabaong ng propetang Muslim na si Mohammed ay nag-hang sa hangin nang walang pisikal na suporta). Sa artikulong ito, tatalakayin namin ang Meissner Effect at ang hinaharap at kasalukuyan na praktikal na mga aplikasyon.

Noong 1911, gumawa ng isang mahalagang tuklas si Heike Kamerling-Onnes - superconductivity. Pinatunayan niya na kung pinalamig mo ang ilang mga sangkap sa temperatura na 20 K, hindi ito nagpapakita ng paglaban sa kasalukuyang kuryente. Ang mababang temperatura ay "huminahon" ng mga random na panginginig ng mga atomo, at ang kuryente ay hindi mapaglabanan.

Matapos ang pagtuklas na ito, isang tunay na lahi ang nagsimulang maghanap ng mga sangkap na hindi lalaban nang walang paglamig, halimbawa sa ordinaryong temperatura ng silid. Ang nasabing isang superconductor ay magagawang magpadala ng kuryente sa mga naglalakihang distansya. Ang katotohanan ay ang maginoo na mga linya ng kuryente ay nawawala ang isang makabuluhang halaga ng kasalukuyang kuryente, dahil lamang sa paglaban. Pansamantala, ang mga physicist ay nagsasagawa ng kanilang mga eksperimento sa pamamagitan ng paglamig ng mga superconductor. At isa sa pinakatanyag na eksperimento ay ang pagpapakita ng Meissner Effect. Maaari kang makahanap ng maraming mga video sa web na nagpapakita ng epektong ito. Nag-post kami ng isa na pinakamahusay na nagpapakita nito.

Upang maipakita ang eksperimento ng levitation ng isang pang-akit sa isang superconductor, kailangang kumuha ng mataas na temperatura na superconducting ceramics at isang magnet. Ang ceramic ay pinalamig ng nitrogen sa antas ng superconducting. Ang isang kasalukuyang ay konektado dito at isang pang-akit ay inilalagay sa itaas. Sa mga patlang na 0,001 T, ang magnet ay nagbabago paitaas at nagpapalabas sa superconductor.

Ang epekto ay ipinaliwanag ng katotohanan na sa panahon ng paglipat ng bagay sa superconductivity, ang magnetic field ay itinulak mula sa dami nito.

Paano mailalapat ang Meissner effect sa pagsasanay? Marahil ang bawat mambabasa ng site na ito ay nakakita ng maraming mga science fiction films kung saan ang mga kotse ay umikot sa kalsada. Kung posible na mag-imbento ng isang sangkap na magiging isang superconductor sa isang temperatura ng, sabihin nating, hindi mas mababa sa +30, kung gayon hindi na ito magiging isang pantasya.

Ngunit kumusta naman ang mga tren ng bala, na dumidikit din sa riles ng tren. Oo, mayroon na sila. Ngunit hindi katulad ng Meissner Effect, may iba pang mga batas ng pisika na nagtatrabaho: ang pagtataboy ng mga unipolar na panig ng mga magnet. Sa kasamaang palad, ang mataas na halaga ng mga magnet ay hindi pinapayagan ang malawak na paggamit ng teknolohiyang ito. Sa pag-imbento ng isang superconductor na hindi kailangang palamig, ang mga lumilipad na kotse ay magiging isang katotohanan.

Pansamantala, pinagtibay ng mga salamangkero ang Meissner Effect. Kinuha namin ang isa sa mga view na ito sa net para sa iyo. Ipinapakita ng tropa ng "Exos" ang kanilang mga trick. Walang mahika, physics lang.

Ang hindi pangkaraniwang bagay ay unang na-obserbahan noong 1933 ng mga pisisista ng Aleman na Meissner at Ochsenfeld. Ang epekto ng Meissner ay batay sa hindi pangkaraniwang bagay na kumpletong pag-aalis ng magnetic field mula sa materyal sa panahon ng paglipat sa estado ng superconducting. Ang paliwanag ng epekto ay nauugnay sa mahigpit na zero na halaga ng de-koryenteng paglaban ng mga superconductors. Ang pagtagos ng isang magnetic field sa isang ordinaryong konduktor ay nauugnay sa isang pagbabago sa magnetic flux, na kung saan, lumilikha ng isang EMF ng induction at sapilitan na mga alon na pumipigil sa isang pagbabago sa magnetic flux.

Ang magnetikong patlang ay tumagos sa superconductor sa isang malalim, inaalis ang magnetic field mula sa superconductor ng isang pare-pareho, na tinatawag na London London:

. (3.54)

Bigas 3.17 Scheme ng epekto ng Meissner.

Ipinapakita ng pigura ang mga linya ng magnetic field at ang kanilang pag-aalis mula sa isang superconductor sa isang temperatura na mas mababa sa kritikal.

Kapag ang temperatura ay dumaan sa isang kritikal na halaga, ang magnetic field sa superconductor ay magbabago nang husto, na hahantong sa paglitaw ng isang EMF na pulso sa inductor.

Bigas 3.18 Meissner sensor ng epekto.

Ang kababalaghang ito ay ginagamit upang sukatin ang mga ultra-mahina na magnetikong larangan upang lumikha cryotrons(paglipat ng mga aparato).

Bigas 3.19 Disenyo at pagtatalaga ng cryotron.

Sa istruktura, ang cryotron ay binubuo ng dalawang superconductors. Ang isang niobium coil ay sugat sa paligid ng conductor ng tantalum, kung saan dumadaloy ang isang kasalukuyang kontrol. Sa pagtaas ng kasalukuyang kontrol, tumataas ang lakas ng magnetic field, at ang tantalum ay dumadaan mula sa estado ng superconductivity patungo sa ordinaryong estado. Sa kasong ito, ang kondaktibiti ng konduktor ng tantalum ay binago nang husto, at ang kasalukuyang operating sa circuit ay halos mawala. Sa batayan ng cryotrons, halimbawa, nilikha ang mga kontroladong balbula.