ефект Мейснера

Ефект Мейснера - це повне витіснення магнітного поля з обсягу провідника при його переході в надпровідний стан. При охолодженні надпровідника, що знаходиться в зовнішньому постійному магнітному полі, в момент переходу в надпровідний стан магнітне поле повністю витісняється з його обсягу. Цим надпровідник відрізняється від ідеального провідника, у якого при падінні опору до нуля індукція магнітного поля в об'ємі повинна зберігатися без зміни.

Відсутність магнітного поля в об'ємі провідника дозволяє зробити висновок із загальних законів магнітного поля, що в ньому існує тільки поверхневий струм. Він фізично реальний і тому займає деякий тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує всередині надпровідника зовнішнє магнітне поле. В цьому відношенні надпровідник поводиться формально як ідеальний діамагнетик. Однак він не є діамагнетиком, так як всередині нього намагніченість дорівнює нулю.

теорія надпровідності

За низької температури цілий ряд речовин володіє опором принаймні в 10-12 разів менше, ніж при кімнатній температурі. Експерименти показують, що якщо створити струм в замкнутому контурі з надпровідників, то цей струм продовжує циркулювати і без джерела ЕРС. Токи Фуко в надпровідниках зберігаються дуже довгий час і не загасають через відсутність джоулева тепла (струми до 300А продовжують текти багато годин підряд). Вивчення проходження струму через ряд різних провідників показало, що опір контактів між сверхпроводниками також дорівнює нулю. Відмітною властивістю надпровідності є відсутність явища Холла. У той час, як в звичайних провідниках під впливом магнітного поля струм в металі зміщується, в надпровідниках це явище відсутня. Струм в надпровідники як би закріплений на своєму місці. Надпровідність зникає під дією наступних факторів:

• 1) підвищення температури;
• 2) дія досить сильного магнітного поля;
• 3) досить велика щільність струму в зразку;

З підвищенням температури майже раптово з'являється помітне омічний опір. Перехід від надпровідності до провідності тим крутіше і помітніше, ніж однорідні зразок (найбільш крутий перехід спостерігається в монокристалах). Перехід від надпровідного стану в нормальний можна здійснити шляхом підвищення магнітного поля при температурі нижче критичної.

У 1913р. німецькі фізики Мейснер і Оксенфельда вирішили експериментально перевірити, як саме розподіляється магнітне поле навколо надпровідника. Результат виявився несподіваним. Незалежно від умов проведення експерименту магнітне поле всередину провідника проникало. Вражаючий факт полягав в тому, що надпровідник, охолоджений нижче критичної температури в постійному магнітному полі, мимовільно виштовхує це поле зі свого об'єму, переходячи в стан, при якому магнітна індукція В = 0, тобто стан ідеального діамагнетизму. Це явище отримало назву ефекту Мейснера.

Багато хто вважає, що ефект Мейснера, є найбільш фундаментальним властивістю надпровідників. Дійсно, існування нульового опору неминуче випливає з цього ефекту. Адже поверхневі екранізують струми постійні в часі і не загасають в виміряти магнітному полі. У тонкому поверхневому шарі надпровідника ці струми створюють своє магнітне поле, суворо рівна і протилежна зовнішньому полю. У надпровіднику ці два зустрічних магнітних поля складаються так, що сумарна магнітне поле стає рівним нулю, хоча складові поля існують спільно, тому і говорять про ефект «виштовхування» зовнішнього магнітного поля з надпровідника.

Нехай у вихідному стані ідеальний провідник охолоджений нижче критичної температури і зовнішнє магнітне поле відсутнє. Внесемо тепер такий ідеальний провідник у зовнішнє магнітне поле. Поле в зразок не проникає, що схематично зображено на рис. 1 . Відразу по появі зовнішнього поля на поверхні ідеального провідника виникає струм, що створює, за правилом Ленца, своє власне магнітне поле, спрямоване назустріч прикладеному, і повне поле в зразку дорівнюватиме нулю.

Це можна довести використовуючи рівняння Максвелла. При зміні індукції Ввсередині зразка повинно виникнути електричне поле Е:

де з - швидкість світла у вакуумі. Але в ідеальному провіднику R = 0, так як

E = Jс,

де с - питомий опір, яке в нашому випадку дорівнює нулю, j- щільність наведеного струму. Звідси слідує що B= Const, але оскільки до внесення зразка в поле В= 0, то ясно, що В= 0 і після внесення в поле. Це можна інтерпретувати ще й так: оскільки з = 0, час проникнення магнітного поля в ідеальний провідник одно нескінченно.

Отже, внесений в зовнішнє магнітне поле ідеальний провідник має В= 0 в будь-якій точці зразка. Однак того ж стану (ідеальний провідник при Т<Т з в зовнішньому магнітному полі) можна досягти й іншим шляхом: спершу накласти зовнішнє поле на «теплий» зразок, а потім охолодити його до температури Т<Т з .

Електродинаміка пророкує для ідеального провідника зовсім інший результат. Дійсно, зразок при Т> Т з має опір і магнітне поле в нього добре проникає. Після охолодження його нижче Т з поле залишиться в зразку. Ця ситуація зображена на рис. 2.

Таким чином, крім нульового опору надпровідники володіють ще одним фундаментальним властивістю - ідеальним діамагнетизмом. Зникнення магнітного поля всередині пов'язано з появою незатухаючих поверхневих струмів в надпровіднику. Але магнітне поле не може бути виштовхнути повністю, тому що це б означало, що на поверхні магнітне поле падає стрибком від кінцевого значення Вдо нуля. Для цього необхідно, щоб по поверхні протікав струм, нескінченної щільності, що неможливо. Отже, магнітне поле проникає в глиб надпровідника, на деяку глибину л.

Ефект Мейснера Ї Оксенфельда спостерігається тільки в слабких полях. При збільшенні напруженості магнітного поля до величини Н cmнадпровідний стан руйнується. Це поле отримало назву критичного Н cm.Залежність між критичним магнітним полем і критичною температурою добре описується емпіричною формулою (6).

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

де Н cm (0) - критичне поле екстрапольоване до абсолютного нуля .

Графік цієї залежності наведений на малюнку 3. Цей графік також можна розглядати, як фазову діаграму, де кожна точка сірої частини відповідає надпровідного стану, а білої області - нормальному.

За характером проникнення магнітного поля надпровідники діляться на надпровідники першого і другого роду. У надпровідник першого роду магнітне поле не проникає до тих пір поки, напруженість поля не досягне значення Н cm. Якщо поле перевищує критичне значення, то надпровідний стан руйнується і поле повністю проникає в зразок. До надпровідників першого роду відносяться всі хімічні елементи надпровідники, крім ніобію.

Підрахували, що при переході металу з нормального стану в надпровідний проводиться деяка робота. Що, власне, є джерелом цієї роботи? Те, що у надпровідника енергія нижче, ніж у того ж металу в нормальному стані.

Ясно, що «розкіш» ефекту Мейснера надпровідник може собі дозволити за рахунок виграшу в енергії. Виштовхування магнітного поля буде мати місце до тих пір, поки пов'язане з цим явищем збільшення енергії компенсується більш ефективним її зменшенням, пов'язаних з переходом металу в надпровідний стан. У досить магнітних полях енергетично більш вигідним виявляється не надпровідний, а нормальний стан, в якому поле вільно проникає в зразок.

Нульове опір - не єдина особливість надпровідності. Одним з головних відмінностей надпровідників від ідеальних провідників є ефект Мейснера, відкритий Вальтером Мейснером і Робертом Оксенфельдом в 1933 році.

Ефект Мейснера полягає в «виштовхування» сверхпроводником магнітного поля з займаної ним частини простору. Це викликано існуванням незатухаючих струмів всередині надпровідника, які створюють внутрішнє магнітне поле, протилежно спрямована прикладеному до зовнішнього магнітного поля і компенсує його.

При охолодженні надпровідника, що знаходиться в зовнішньому постійному магнітному полі, в момент переходу в надпровідний стан, магнітне поле повністю витісняється з його обсягу. Цим надпровідник відрізняється від ідеального провідника, у якого при падінні опору до нуля індукція магнітного поля в об'ємі повинна зберігатися без зміни.

Відсутність магнітного поля в об'ємі провідника дозволяє зробити висновок із загальних законів магнітного поля, що в ньому існує тільки поверхневий струм. Він фізично реальний і тому займає деякий тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує всередині надпровідника зовнішнє магнітне поле. В цьому відношенні надпровідник поводиться формально як ідеальний діамагнетик. Однак він не є діамагнетиком, тому що всередині нього намагніченість дорівнює нулю.

Вперше ефект Мейснера пояснили брати Фріц і Хайнц Лондон. Вони показали, що в надпровіднику магнітне поле проникає на фіксовану глибину від поверхні - лондоновськую глибину проникнення магнітного поля λ . для металів l ~ 10 -2 мкм.

Чисті речовини, у яких спостерігається явище надпровідності, нечисленні. Найчастіше надпровідність буває у сплавів. У чистих речовин має місце повний ефект Мейснера, а у сплавів не відбувається повного виштовхування магнітного поля з обсягу (частковий ефект Мейснера). Речовини, що проявляють повний ефект Мейснера, називаються сверхпроводниками першого роду , А частковий - сверхпроводниками другого роду .

У надпровідників другого роду в обсязі є кругові струми, що створюють магнітне поле, яке, однак, заповнює не весь обсяг, а розподілено в ньому у вигляді окремих ниток. Що ж стосується опору, воно дорівнює нулю, як і в надпровідниках першого роду.

Перехід речовини в надпровідний стан супроводжується зміною його теплових властивостей. Однак, це зміна залежить від роду розглянутих надпровідників. Так, для надпровідників Ι роду за відсутності магнітного поля при температурі переходу Т Зтеплота переходу (поглинання або виділення) звертається в нуль, а отже зазнає стрибок теплоємність, що характерно для фазового переходу ΙΙ роду. Коли ж перехід з надпровідного стану в нормальний здійснюється зміною прикладеного магнітного поля, то тепло повинно поглинатися (наприклад, якщо зразок теплоізольований, то його температура знижується). А це відповідає фазового переходу Ι роду. Для надпровідників ΙΙ роду перехід з надпровідного в нормальний стан при будь-яких умовах буде фазовим переходом ΙΙ роду.

Явище виштовхування магнітного поля можна спостерігати в експерименті, який отримав назву «труну Магомета». Якщо магніт покласти на поверхню плоского надпровідника, то можна спостерігати левітації - магніт буде висіти на деякій відстані від поверхні, не торкаючись її. Навіть в полях з індукцією порядку 0,001Тл помітно зміщення магніту вгору на відстань близько сантиметра. Це пояснюється тим, що магнітне поле виштовхується з надпровідника, тому магніт, що наближається до надпровідники, «побачить» магніт однаковою полярності і точно такого ж розміру, - що і викличе левітації.

Назва цього експерименту - «труну Магомета» - пов'язане з тим, що за переказами, труну з тілом пророка Магомета висів у просторі без будь-якої підтримки.

Перше теоретичне пояснення надпровідності було дано в 1935 році Фріцем і Хайнцем Лондоном. Більш загальна теорія була побудована в 1950 році Л.Д. Ландау і В.Л. Гінзбургом. Вона отримала широке поширення і відома як теорія Гінзбурга - Ландау. Однак ці теорії мали феноменологічний характер і не розкривали детальні механізми надпровідності. Вперше надпровідність на мікроскопічному рівні отримала пояснення в 1957 році в роботі американських фізиків Джона Бардіна, Леона Купера і Джона Шриффера. Центральним елементом їх теорії, що отримала назву теорії БКШ, є так звані куперовские пари електронів.

У 1933 році німецький фізик Вальтер Фріц Мейснер спільно зі своїм колегою Робертом Оксенфельдом відкрив ефект, який згодом назвали його ім'ям. Ефект Мейснера полягає в тому, що при переході в надпровідний стан, спостерігається повне витіснення магнітного поля з обсягу провідника. Наочно це можна спостерігати за допомогою досвіду, якому дали назву "Гроб Магомета" (за легендою, труну мусульманського пророка Магомета висів у повітрі без фізичної підтримки). У цій статті ми розповімо про Ефекті Мейснера і його майбутнього і теперішнього практичного застосування.

У 1911 році Гейке Камерлінг-Оннес зробив важливе відкриття - надпровідність. Він довів, що якщо охолодити деякі речовини до температури 20 К, то вони не чинять опір електричному струму. Низька температура "заспокоює" випадкові коливання атомів, і електрики не зустрічає опір.

Після цього відкриття почалася справжня гонка по знаходженню таких речовин, які не чинитимуть опір без охолодження, наприклад при звичайній кімнатній температурі. Такий надпровідник зможе передавати електрику на гігантські відстані. Справа в тому, що звичайні лінії електропередач втрачають значну кількість електричного струму, як раз через опір. Поки ж фізики ставлять свої досліди з допомогою охолодження надпровідників. І одним з найпопулярніших дослідів, є демонстрація Ефект Мейснера. У мережі можна зустріти безліч роликів, які показують цей ефект. Ми виклали один, який найкраще демонструє це.

Для демонстрації досвіду левітації магніту над надпровідників потрібно взяти високотемпературну надпровідну кераміку і магніт. Кераміка охолоджується за допомогою азоту до рівня надпровідності. До неї підключається ток і зверху кладеться магніт. У полях 0,001 Тл магніт зміщується вгору і левитирует над надпровідників.

Пояснюється ефект тим, що при переході речовини в надпровідність, магнітне поле виштовхується з його обсягу.

Як можна застосувати ефект Мейснера на практиці? Напевно, кожен читач цього сайту бачив безліч фантастичних фільмів, в яких автомобілі парили над дорогою. Якщо вдасться винайти речовину, яке перетвориться в надпровідник при температурі, скажімо не нижче +30, то це вже не виявиться фантастикою.

А як же надшвидкісні потяги, які теж ширяють над залізницею. Так вони існують вже зараз. Але на відміну від Ефект Мейснера, там діють інші закони фізики: відштовхування однополюсних сторін магнітів. На жаль, дорожнеча магнітів не дозволяє широко розповсюдити цю технологію. З винахід надпровідника, якого не потрібно охолоджувати, літаючі машини стануть реальністю.

Ну а поки Ефект Мейснера взяли на своє озброєння фокусники. Одне з таких уявлень ми розкопали для вас в мережі. Свої трюки показує трупа "Ексос". Ніякої магії - тільки фізика.

Вперше явище спостерігалося в 1933 році німецькими фізиками Мейснером і Оксенфельдом. В основі ефекту Мейснера лежить явище повного витіснення магнітного поля з матеріалу при переході в надпровідний стан. Пояснення ефекту пов'язано зі строго нульовим значенням електричного опору надпровідників. Проникнення магнітного поля в звичайний провідник пов'язано зі зміною магнітного потоку, яке, в свою чергу створює ЕРС індукції і наведені струми, що перешкоджають зміні магнітного потоку.

Магнітне поле проникає в надпровідник на глибину, витіснення магнітного поля з сверхпроводнікаопределяемую постійної, звану лондоновской постійної:

. (3.54)

Мал. 3.17 Схема ефекту Мейснера.

На малюнку показані лінії магнітного поля і їх витіснення з надпровідника, що знаходиться при температурі нижче критичної.

При переході температури через критичне значення, в надпровіднику різко зміняться магнітне поле, що призводить до появи імпульсу ЕРС в котушці індуктивності.

Мал. 3.18 Датчик, який реалізує ефект Мейснера.

Дане явище використовується для вимірювання надслабких магнітних полів, для створення кріотронів(Перемикаючих пристроїв).

Мал. 3.19 Пристрій і позначення кріотрон.

Конструктивно кріотрон складається з двох надпровідників. Навколо танталового провідника намотана котушка з ніобію, по якій протікає керуючий струм. При збільшенні керуючого струму зростає напруженість магнітного поля, і тантал переходить зі стану надпровідності в звичайний стан. При цьому різко змінюється провідність танталового провідника, і робочий струм в ланцюзі практично зникає. На основі кріотронів створюють, наприклад, керовані вентилі.