Meissner-effekten og dens anvendelse

Meissner-effekten eller Meissner-Oxenfeld-effekten består i forskydningen af ​​et magnetfelt fra hovedparten af ​​superlederen under dens overgang til superledende tilstand. Dette fænomen blev opdaget i 1933 af de tyske fysikere Walter Meissner og Robert Oxenfeld, som målte fordelingen af ​​magnetfeltet uden for superledende prøver af tin og bly.

Walter Meissner

I eksperimentet blev superlederne, i nærvær af et påført magnetfelt, afkølet til under deres superledende overgangstemperatur, indtil næsten alle prøvernes indre magnetfelt blev nulstillet. Effekten blev kun opdaget af videnskabsmænd indirekte, fordi superlederens magnetiske flux er bevaret: Når magnetfeltet inde i prøven falder, øges det eksterne magnetfelt.

Således viste eksperimentet klart for første gang, at superledere ikke kun er ideelle ledere, men også demonstrerer en unik definerende egenskab ved den superledende tilstand.Evnen til at forskyde det magnetiske felt bestemmes af arten af ​​ligevægten dannet ved neutralisering inde i superlederens enhedscelle.

En superleder med lidt eller intet magnetfelt siges at være i Meissner-tilstanden. Men Meissner-tilstanden bryder sammen, når det påførte magnetfelt er for stærkt.

Det er her værd at bemærke, at superledere kan opdeles i to klasser alt efter hvordan denne krænkelse opstår.I superledere af den første type bliver superledning brat krænket, når styrken af ​​det påførte magnetfelt bliver højere end den kritiske værdi Hc .

Afhængigt af prøvens geometri kan der opnås en mellemtilstand svarende til det udsøgte mønster af områder af normalt materiale, der bærer et magnetfelt blandet med områder af superledende materiale, hvor der ikke er noget magnetfelt.

I type II superledere fører en forøgelse af den påførte magnetiske feltstyrke til den første kritiske værdi Hc1 til en blandet tilstand (også kendt som en hvirveltilstand), hvor mere og mere magnetisk flux trænger ind i materialet, men der er ingen modstand mod elektrisk strøm medmindre denne strøm ikke er for høj.

Ved værdien af ​​den anden kritiske styrke Hc2 ødelægges den superledende tilstand. Den blandede tilstand er forårsaget af hvirvler i en superflydende elektronvæske, som nogle gange kaldes fluxoner (fluxon-kvante af magnetisk flux), fordi fluxen båret af disse hvirvler er kvantiseret.

De reneste elementære superledere, med undtagelse af niobium og carbon nanorør, er af den første type, mens næsten alle urenheder og komplekse superledere er af den anden type.

Fænomenologisk blev Meissner-effekten forklaret af brødrene Fritz og Heinz London, som viste, at den elektromagnetiske frie energi af en superleder er minimeret under betingelsen:

Denne tilstand kaldes Londons ligning. Han forudsagde, at magnetfeltet i en superleder henfalder eksponentielt fra den værdi, det har ved overfladen.

Hvis der påføres et svagt magnetfelt, forskyder superlederen næsten hele den magnetiske flux. Dette skyldes udseendet af elektriske strømme nær dens overflade. Det magnetiske felt af overfladestrømmene neutraliserer det påførte magnetfelt inde i superlederens volumen. Da forskydningen eller undertrykkelsen af ​​feltet ikke ændrer sig over tid, betyder det, at de strømme, der skaber denne effekt (jævnstrømme), ikke henfalder over tid.

Nær overfladen af ​​prøven, inden for London-dybden, er magnetfeltet ikke fuldstændig fraværende. Hvert superledende materiale har sin egen magnetiske indtrængningsdybde.

Enhver perfekt leder vil forhindre enhver ændring i magnetisk flux, der passerer gennem dens overflade på grund af normal elektromagnetisk induktion ved nul modstand. Men Meissner-effekten er forskellig fra dette fænomen.

Når en konventionel leder afkøles til en superledende tilstand i nærvær af et permanent påført magnetfelt, kastes magnetisk flux ud under denne overgang. Denne effekt kan ikke forklares med uendelig ledningsevne.

Placeringen og den efterfølgende levitation af en magnet på et allerede superledende materiale udviser ikke Meissner-effekten, hvorimod Meissner-effekten udvises, hvis den oprindeligt stationære magnet senere frastødes af superlederen, der er afkølet til en kritisk temperatur.

I Meissner-staten udviser superledere perfekt diamagnetisme eller superdiamagnetisme. Det betyder, at det samlede magnetfelt er meget tæt på nul dybt inde i dem, et stort stykke indad fra overfladen. Magnetisk modtagelighed -1.

Diamagnetisme er defineret ved frembringelsen af ​​et materiales spontane magnetisering, der er nøjagtig modsat retningen af ​​et eksternt påført magnetfelt, men den grundlæggende oprindelse af diamagnetisme i superledere og normale materialer er meget anderledes.

I almindelige materialer opstår diamagnetisme som et direkte resultat af elektromagnetisk induceret orbital rotation af elektroner omkring atomkerner, når et eksternt magnetfelt påføres. I superledere opstår illusionen om perfekt diamagnetisme på grund af konstante afskærmningsstrømme, der strømmer mod det påførte felt (selve Meissner-effekten), ikke kun på grund af orbitalspin.

Opdagelsen af ​​Meissner-effekten førte i 1935 til den fænomenologiske teori om superledning af Fritz og Heinz London. Denne teori forklarer forsvinden af ​​modstand og Meissner-effekten. Dette gjorde det muligt for os at lave de første teoretiske forudsigelser om superledning.

Denne teori forklarer dog kun de eksperimentelle observationer, men tillader ikke identifikation af den makroskopiske oprindelse af de superledende egenskaber.Dette blev med succes gjort senere, i 1957, af Bardeen-Cooper-Schriefer-teorien, hvorfra både penetrationsdybden og Meissner-effekten følger. Nogle fysikere hævder dog, at Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorien ikke forklarer Meissner-effekten.

Meissner-effekten anvendes efter følgende princip. Når temperaturen af ​​et superledende materiale passerer gennem en kritisk værdi, ændres magnetfeltet omkring det brat, hvilket resulterer i generering af en EMF-impuls i spolen, der er viklet omkring sådant materiale. Og når strømmen af ​​styrespolen ændres, kan den magnetiske tilstand af materialet styres. Dette fænomen bruges til at måle ultrasvage magnetiske felter ved hjælp af specielle sensorer.

En kryotron er en koblingsenhed baseret på Meissner-effekten. Strukturelt består den af ​​to superledere. En niobiumspole er viklet omkring en tantalstang, gennem hvilken der strømmer en kontrolstrøm.

Efterhånden som styrestrømmen stiger, øges styrken af ​​magnetfeltet, og tantalet går fra den superledende tilstand til den almindelige tilstand. I dette tilfælde ændres ledningsevnen af ​​tantaltråden og driftsstrømmen i styrekredsløbet i en ikke-lineær tilstand. måde. På basis af kryotroner skabes for eksempel styrede ventiler.