Meissner effekti

Meissner effekti - bu Supero'tkazuvchi holatiga o'tish paytida magnit maydonining o'tkazgich hajmidan to'liq siljishi. Supero'tkazgich tashqi doimiy magnit maydonida soviganida, supero'tkazgich holatiga o'tish vaqtida magnit maydoni o'z hajmidan butunlay siljiydi. Supero'tkazgich ideal o'tkazgichdan farq qiladi, bunda qarshilik nolga tushganda, hajmdagi magnit maydon induksiyasi o'zgarishsiz qolishi kerak.

Supero'tkazuvchilar hajmida magnit maydonning yo'qligi, magnit maydonining umumiy qonunlaridan unda faqat sirt oqimi bor degan xulosaga kelishimizga imkon beradi. Bu jismonan haqiqiydir va shuning uchun sirt yaqinida yupqa qatlamni egallaydi. Oqimning magnit maydoni supero'tkazgich ichidagi tashqi magnit maydonini yo'q qiladi. Shu nuqtai nazardan, supero'tkazuvchi rasmiy ravishda ideal diamagnit sifatida o'zini tutadi. Biroq, bu diamagnit emas, chunki uning ichida magnitlanish nolga teng.

Supero'tkazuvchanlik nazariyasi

Juda past haroratlarda bir qator moddalar xona haroratiga qaraganda kamida 10-12 marta kamroq qarshilikka ega. Tajribalar shuni ko'rsatadiki, agar siz Supero'tkazuvchilar yopiq sxemasida tok hosil qilsangiz, bu oqim EMF manbasisiz aylanishda davom etadi. Supero'tkazgichlardagi Fuko oqimlari juda uzoq vaqt saqlanib turadi va Joule issiqligining yo'qligi sababli parchalanmaydi (300A gacha bo'lgan oqimlar ketma -ket ko'p soat davomida oqishni davom ettiradi). Har xil o'tkazgichlar orqali tok o'tishini o'rganish shuni ko'rsatdiki, Supero'tkazuvchilar orasidagi kontaktlarning qarshiligi ham nolga teng. Supero'tkazuvchanlikning o'ziga xos xususiyati - Hall fenomenining yo'qligi. Oddiy o'tkazgichlarda, magnit maydon ta'siri ostida, metalldagi tok almashadi, supero'tkazgichlarda bu hodisa yo'q. Supero'tkazgichdagi oqim, xuddi o'z o'rnida, aniqlangan. Supero'tkazuvchanlik quyidagi omillar ta'sirida yo'qoladi:

• 1) haroratning ko'tarilishi;
• 2) etarlicha kuchli magnit maydonining harakati;
• 3) namunadagi tokning etarlicha yuqori zichligi;

Harorat ko'tarilgach, sezilarli ohmik qarshilik deyarli to'satdan paydo bo'ladi. Supero'tkazuvchanlikdan o'tkazuvchanlikka o'tish keskinroq va sezilarli bo'ladi, namuna bir xil bo'ladi (eng keskin o'tish monokristallarda kuzatiladi). Supero'tkazuvchi holatdan normal holatga o'tish magnit maydonini kritik darajadan past haroratda oshirish orqali amalga oshirilishi mumkin.

1913 yilda. Nemis fiziklari Meissner va Oxsenfeld magnit maydon supero'tkazgich atrofida qanday aniq taqsimlanganligini tajribada sinab ko'rishga qaror qilishdi. Natija kutilmagan edi. Tajriba shartlaridan qat'i nazar, magnit maydon o'tkazgichga kirmagan. Ajablanarli fakt shundaki, doimiy magnit maydonida kritik haroratdan pastda sovigan supero'tkazgich o'z -o'zidan bu maydonni o'z hajmidan chiqarib, magnit induktsiya B = 0 bo'lgan holatga o'tadi. ideal diamagnetizm holati. Bu hodisa Meissner effekti deb ataladi.

Ko'pchilik Meissner effekti supero'tkazgichlarning eng asosiy xususiyati deb hisoblaydi. Darhaqiqat, nol qarshilikning mavjudligi muqarrar ravishda bu ta'sirdan kelib chiqadi. Axir, sirtni aniqlash oqimlari o'z vaqtida doimiy bo'lib, o'lchab bo'lmaydigan magnit maydonda susaymaydi. Supero'tkazgichning yupqa sirt qatlamida bu oqimlar o'z magnit maydonini hosil qiladi, bu qat'iy ravishda teng va tashqi maydonga qarama -qarshi. Supero'tkazgichda bu ikkita qarama -qarshi magnit maydon qo'shiladi, shunda umumiy magnit maydoni nolga teng bo'ladi, garchi maydon shartlari birgalikda mavjud bo'lsa va shuning uchun ular tashqi magnit maydonini supero'tkazgichdan "itarish" ta'siri haqida gapirsa. .

Boshlang'ich holatdagi ideal o'tkazgich kritik haroratdan pastroqda sovutilsin va tashqi magnit maydoni yo'q. Keling, tashqi magnit maydoniga shunday ideal o'tkazgichni kiritaylik. Namunadagi maydon unday emas kirib boradi, bu sxematik tarzda rasmda ko'rsatilgan. 1 . Tashqi maydon paydo bo'lgandan so'ng, ideal o'tkazgich yuzasida oqim paydo bo'lib, Lenz qoidasiga ko'ra, qo'llaniladigan maydonga qarama -qarshi yo'naltirilgan o'z magnit maydonini hosil qiladi va namunadagi umumiy maydon nolga teng bo'ladi. .

Buni Maksvell tenglamalari yordamida isbotlash mumkin. Induktsiyani o'zgartirganda V Namuna ichida elektr maydon E paydo bo'lishi kerak:

Qaerda bilan - vakuumdagi yorug'lik tezligi. Lekin ideal o'tkazgichda R = 0, chunki

E = js,

bu erda c - qarshilik, bizda nolga teng, j induksion tokning zichligi. Demak, bundan kelib chiqadi B= const, lekin maydonga naqsh kiritishdan oldin V= 0, keyin aniq V= 0 va maydonga kirgandan keyin. Buni quyidagicha izohlash mumkin: c = 0 bo'lgani uchun magnit maydonining ideal o'tkazgichga kirib kelish vaqti cheksizdir.

Shunday qilib, tashqi magnit maydoniga kiritilgan ideal o'tkazgich mavjud V Namunaning istalgan nuqtasida = 0. Biroq, xuddi shu holat (ideal konduktor T<T bilan tashqi magnit maydonida) boshqa yo'l bilan erishish mumkin: birinchi navbatda, "issiq" namunaga tashqi maydonni qo'llang va keyin uni haroratgacha sovutib oling. T<T bilan .

Elektrodinamik ideal o'tkazgich uchun umuman boshqacha natijani bashorat qiladi. Haqiqatan ham, namuna T> T bilan qarshilikka ega va magnit maydoni unga yaxshi kiradi. Sovutgandan keyin pastda T bilan maydon namunada qoladi. Bu holat rasmda ko'rsatilgan. 2018-05-01 xoxlasa buladi 121 2.

Shunday qilib, nol qarshilikka qo'shimcha ravishda, Supero'tkazuvchilar yana bir asosiy xususiyatga ega - ideal diamagnetizm. Ichkaridagi magnit maydonning yo'q bo'lib ketishi supero'tkazgichda doimiy sirt oqimlarining paydo bo'lishi bilan bog'liq. Ammo magnit maydonini to'liq chiqarib bo'lmaydi, chunki bu shuni anglatadiki, sirtdagi magnit maydoni cheklangan qiymatdan keskin tushadi V nolga. Buning uchun sirt ustida cheksiz zichlikdagi oqim bo'lishi kerak, bu mumkin emas. Binobarin, magnit maydon supero'tkazgichga chuqur kirib, ma'lum chuqurlikka n.

Meissner-Oksenfeld effekti faqat kuchsiz dalalarda kuzatiladi. Magnit maydon kuchining qiymatga ko'tarilishi bilan H sm Supero'tkazuvchi holat buziladi. Bu maydon kritik deb nomlanadi H sm Kritik magnit maydon va kritik harorat o'rtasidagi bog'liqlik empirik formula (6) bilan yaxshi tasvirlangan.

H sm (T) =H sm (0) [1- (T / T. v ) 2 ] (6)

Qaerda H sm (0) - kritik maydon mutlaq nolga ekstrapolyatsiya qilingan .

Bu bog'liqlik grafigi 3 -rasmda ko'rsatilgan. Bu grafikni fazali diagramma sifatida ham ko'rib chiqish mumkin, bu erda kulrang qismning har bir nuqtasi o'ta o'tkazuvchanlik holatiga, oq maydon esa normalga to'g'ri keladi.

Magnit maydonning kirib kelish xususiyatiga ko'ra, supero'tkazgichlar birinchi va ikkinchi turdagi supero'tkazgichlarga bo'linadi. Birinchi turdagi supero'tkazgichda, maydon kuchi qiymatga yetmaguncha, magnit maydon kirmaydi H sm... Agar maydon kritik qiymatdan oshsa, u holda Supero'tkazuvchi holat yo'q qilinadi va maydon namunaga to'liq kiradi. Birinchi turdagi Supero'tkazuvchilar niobiydan tashqari supero'tkazgichlarning barcha kimyoviy elementlarini o'z ichiga oladi.

Metall normaldan o'ta o'tkazuvchanlikka o'tganda, ba'zi ishlar bajarilishi hisoblab chiqilgan. Bu asarning manbasi aynan nima? Supero'tkazgich normal holatida bir xil metalga qaraganda kamroq energiyaga ega bo'lishi.

Ko'rinib turibdiki, supero'tkazgich energiya ortishi tufayli Meissner effektining "hashamatini" sotib olishi mumkin. Magnit maydondan chiqib ketish, bu hodisa bilan bog'liq energiyaning o'sishi metallning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishi bilan bog'liq energiyaning samaraliroq pasayishi bilan qoplansa, amalga oshadi. Etarlicha magnit maydonlarda, supero'tkazuvchi holat emas, balki energetik jihatdan qulayroqdir, lekin maydon namunaga erkin kirib boradigan normal holat.

Nol qarshilik - Supero'tkazuvchanlikning yagona xususiyati emas. Supero'tkazuvchilar va ideal o'tkazgichlar o'rtasidagi asosiy farqlardan biri 1933 yilda Valter Meissner va Robert Oxsenfeld tomonidan kashf etilgan Meissner effekti.

Meissner effekti magnit maydonni supero'tkazgich egallagan bo'shliqdan "itarish" dan iborat. Buning sababi, Supero'tkazgich ichidagi doimiy magnit maydonini yaratadi, ular qarama -qarshi ichki magnit maydonini hosil qiladi va qo'llaniladigan tashqi magnit maydonini qoplaydi.

Supero'tkazgich tashqi doimiy magnit maydonida soviganida, supero'tkazgich holatiga o'tish vaqtida magnit maydoni o'z hajmidan butunlay siljiydi. Supero'tkazgich ideal o'tkazgichdan farq qiladi, bunda qarshilik nolga tushganda, hajmdagi magnit maydon induksiyasi o'zgarishsiz qolishi kerak.

Supero'tkazuvchilar hajmida magnit maydonning yo'qligi magnit maydonining umumiy qonunlaridan unda faqat sirt oqimi bor degan xulosaga kelishimizga imkon beradi. Bu jismonan haqiqiydir va shuning uchun sirt yaqinida yupqa qatlamni egallaydi. Oqimning magnit maydoni supero'tkazgich ichidagi tashqi magnit maydonini yo'q qiladi. Shu nuqtai nazardan, supero'tkazgich o'zini ideal diamagnet kabi tutadi. Biroq, bu diamagnet emas, chunki uning ichida magnitlanish nolga teng.

Meissner effektini birinchi bo'lib aka -uka Frits va Xaynts London tushuntirgan. Ular shuni ko'rsatdiki, supero'tkazgichda magnit maydon aniqlangan chuqurlikka - magnit maydonining Londonga kirish chuqurligiga kiradi. λ ... Metall uchun l ~ 10 -2 mkm.

Supero'tkazuvchanlik fenomeni kuzatiladigan toza moddalar kam. Supero'tkazuvchanlik qotishmalarda ko'proq uchraydi. Sof moddalar uchun to'liq Meissner effekti sodir bo'ladi, qotishmalar uchun magnit maydonining hajmdan to'liq chiqarilishi yo'q (qisman Meissner effekti). Meissner effektini to'liq ko'rsatadigan moddalar deyiladi birinchi turdagi Supero'tkazuvchilar va qisman - ikkinchi turdagi Supero'tkazuvchilar .

Ikkinchi turdagi supero'tkazgichlar magnit maydonni hosil qiladigan dumaloq oqimlarga ega, ammo ular butun hajmni to'ldirmaydi, lekin unda alohida iplar shaklida taqsimlanadi. Qarshilikka kelsak, u I turdagi supero'tkazgichlarda bo'lgani kabi nolga teng.

Moddaning o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tishi uning issiqlik xususiyatlarining o'zgarishi bilan kechadi. Biroq, bu o'zgarish ko'rib chiqilayotgan supero'tkazuvchilar turiga bog'liq. Shunday qilib, o'tish haroratida magnit maydon bo'lmasa, bunday Supero'tkazuvchilar uchun T C. o'tish (yutish yoki chiqarish) issiqligi yo'qoladi va shuning uchun issiqlik sig'imi sakrashga uchraydi, bu fazali o'tish uchun xosdir. Supero'tkazuvchanlik holatidan normal holatga o'tish qo'llaniladigan magnit maydonini o'zgartirish orqali amalga oshirilganda, u holda issiqlikni yutish kerak (masalan, agar namuna issiqlik izolyatsiyalangan bo'lsa, uning harorati pasayadi). Va bu turdagi fazali o'tishga to'g'ri keladi. Bu turdagi Supero'tkazuvchilar uchun har qanday sharoitda ham Supero'tkazgichdan normal holatga o'tish bu turdagi fazali o'tish bo'ladi.

Magnit maydondan chiqib ketish hodisasini "Mahomet tobuti" deb nomlangan tajribada kuzatish mumkin. Agar magnit tekis o'tkazgich Supero'tkazuvchilar yuzasiga qo'yilsa, levitatsiyani kuzatish mumkin - magnit tegmasdan sirtdan ma'lum masofada osilib qoladi. Induksiyasi 0,001 T bo'lgan dalalarda ham, magnitning santimetrlik masofaga yuqoriga siljishi seziladi. Buning sababi shundaki, magnit maydoni supero'tkazgichdan tashqariga chiqariladi, shuning uchun supero'tkazgichga yaqinlashadigan magnit bir xil qutbli va aynan bir xil o'lchamdagi magnitni "ko'radi" - bu levitatsiyaga olib keladi.

Bu tajribaning nomi - "Muhammad tobuti" - afsonaga ko'ra, Muhammad payg'ambarning jasadi solingan tobut hech qanday tayanchisiz osmonda osilgani bilan bog'liq.

Supero'tkazuvchanlikning birinchi nazariy izohi 1935 yilda Frits va Xaynts London tomonidan berilgan. Keyinchalik umumiy nazariya 1950 yilda L.D. Landau va V.L. Ginzburg. U keng tarqalgan va Ginzburg-Landau nazariyasi sifatida tanilgan. Biroq, bu nazariyalar fenomenologik xarakterga ega bo'lib, o'ta o'tkazuvchanlikning batafsil mexanizmlarini ochib bermadi. Birinchi marta mikroskopik darajadagi o'ta o'tkazuvchanlik 1957 yilda amerikalik fiziklar Jon Bardin, Leon Kuper va Jon Shrifer ishlarida izohlangan. BCS nazariyasi deb ataladigan ularning nazariyasining markaziy elementi Kuper elektronlari deb ataladi.

1933 yilda nemis fizigi Valter Frits Meissner hamkasbi Robert Oxsenfeld bilan birgalikda keyinchalik uning nomini olgan effektni aniqladi. Meissner effekti shundaki, o'ta o'tkazuvchanlik holatiga o'tish paytida magnit maydonining o'tkazgich hajmidan to'liq siljishi kuzatiladi. Buni "Muhammad tobuti" deb nomlangan tajriba yordamida aniq kuzatish mumkin (afsonaga ko'ra, musulmon payg'ambarning tobuti osmonda osilgan). Ushbu maqolada biz Meissner effekti va uning kelajagini muhokama qilamiz va amaliy qo'llanmalarini taqdim etamiz.

1911 yilda Xayk Kamerling -Onnes muhim kashfiyot - o'ta o'tkazuvchanlik qildi. Agar siz ba'zi moddalarni 20 K haroratgacha sovutsangiz, ular elektr tokiga qarshilik ko'rsatmasligini isbotladi. Past harorat atomlarning tasodifiy tebranishlarini "tinchlantiradi" va elektrga qarshilik ko'rsatilmaydi.

Bu kashfiyotdan so'ng, haqiqiy poyga, masalan, oddiy xona haroratida, sovutilmasdan qarshilik ko'rsatmaydigan moddalarni topa boshladi. Bunday supero'tkazgich elektr energiyasini ulkan masofalarga o'tkaza oladi. Gap shundaki, oddiy elektr uzatish liniyalari qarshilik tufayli elektr tokining katta miqdorini yo'qotadi. Bu orada fiziklar supero'tkazgichlarni sovutish orqali o'z tajribalarini o'tkazmoqdalar. Va eng mashhur tajribalardan biri - Meissner effektining namoyishi. Internetda siz ushbu effektni ko'rsatadigan ko'plab videolarni topishingiz mumkin. Biz buni eng yaxshi ko'rsatadigan birini joylashtirdik.

Magnitni supero'tkazgich ustidan ko'tarish tajribasini namoyish qilish uchun yuqori haroratli supero'tkazuvchi keramika va magnitni olish kerak. Keramika azot bilan o'ta o'tkazuvchanlik darajasiga qadar sovutiladi. Unga oqim ulangan va uning ustiga magnit qo'yilgan. 0,001 T maydonlarida magnit yuqoriga siljiydi va supero'tkazgich ustidan ko'tariladi.

Ta'sir, moddaning o'ta o'tkazuvchanlikka o'tishi paytida magnit maydoni uning hajmidan tashqariga chiqarilishi bilan izohlanadi.

Meissner effektini amalda qanday qo'llash mumkin? Ehtimol, bu saytning har bir o'quvchisi mashinalar yo'l ustida aylanib yuradigan ko'plab ilmiy -fantastik filmlarni ko'rgan. Agar, masalan, +30 dan past bo'lmagan haroratda supero'tkazgichga aylanadigan moddani ixtiro qilish mumkin bo'lsa, unda bu endi xayol bo'lmaydi.

Ammo temir yo'l ustidan o'tadigan o'q poyezdlari haqida nima deyish mumkin? Ha, ular allaqachon mavjud. Ammo Meissner effektidan farqli o'laroq, boshqa fizika qonunlari bor: magnitlarning bir qutbli tomonlarini qaytarish. Afsuski, magnitlarning yuqori narxi bu texnologiyani keng ishlatishga imkon bermaydi. Sovutishga hojat bo'lmagan supero'tkazgich ixtiro qilinishi bilan uchar mashinalar haqiqatga aylanadi.

Bu orada sehrgarlar Meissner effektini qabul qilishdi. Biz siz uchun ushbu fikrlardan birini tarmoqdan topdik. "Exos" truppasi o'z hiylalarini ko'rsatadi. Hech qanday sehr yo'q, faqat fizika.

Bu hodisa birinchi marta 1933 yilda nemis fiziklari Meissner va Oxsenfeld tomonidan kuzatilgan. Meissner effekti super o'tkazuvchanlik holatiga o'tish paytida magnit maydonining materialdan to'liq siljish hodisasiga asoslangan. Ta'sirni tushuntirish supero'tkazgichlarning elektr qarshiligining qat'iy nol qiymati bilan bog'liq. Magnit maydonning oddiy o'tkazgichga kirib borishi magnit oqimining o'zgarishi bilan bog'liq bo'lib, u o'z navbatida magnit oqimining o'zgarishiga to'sqinlik qiladigan indüksiya va induktsiya oqimlarining EMFini hosil qiladi.

Magnit maydon supero'tkazgichga chuqur kirib, magnit maydonini supero'tkazgichdan London konstantasi deb nomlangan doimiyga almashtiradi:

. (3.54)

Guruch. 3.17 Meissner effekti sxemasi.

Rasmda magnit maydon chiziqlari va ularning o'ta o'tkazgichdan juda past haroratda siljishi ko'rsatilgan.

Harorat kritik qiymatdan o'tganda, Supero'tkazgichdagi magnit maydoni keskin o'zgaradi, bu induktorda EMF pulsining paydo bo'lishiga olib keladi.

Guruch. 3.18 Meissner effekti sensori.

Bu hodisa juda zaif magnit maydonlarni hosil qilish uchun ishlatiladi kriyotronlar(almashtirish qurilmalari).

Guruch. 3.19 Kryotronning dizayni va belgilanishi.

Strukturaviy ravishda kriyotron ikkita supero'tkazgichdan iborat. Tantal o'tkazgich atrofiga niyobium lasan o'ralgan bo'lib, u orqali nazorat oqimi oqadi. Tekshirish oqimining oshishi bilan magnit maydon kuchlanishi oshadi va tantal super o'tkazuvchanlik holatidan oddiy holatga o'tadi. Bunday holda, tantal o'tkazgichning o'tkazuvchanligi keskin o'zgaradi va sxemadagi ish oqimi amalda yo'qoladi. Kriyotronlar asosida, masalan, boshqariladigan valflar yaratiladi.