Ефект на Майснер и неговото използване

Ефектът на Майснер или ефектът на Майснер-Оксенфелд се състои в изместване на магнитно поле от по-голямата част на свръхпроводника по време на прехода му в свръхпроводящо състояние. Това явление е открито през 1933 г. от немските физици Валтер Майснер и Робърт Оксенфелд, които измерват разпределението на магнитното поле извън свръхпроводящи проби от калай и олово.

Уолтър Майснер

В експеримента свръхпроводниците, в присъствието на приложено магнитно поле, бяха охладени под температурата на техния свръхпроводящ преход, докато почти цялото вътрешно магнитно поле на пробите беше нулирано. Ефектът е открит от учените само косвено, тъй като магнитният поток на свръхпроводника е запазен: когато магнитното поле вътре в пробата намалява, външното магнитно поле се увеличава.

Така експериментът ясно показа за първи път, че свръхпроводниците са не само идеални проводници, но и демонстрират уникално определящо свойство на свръхпроводящото състояние. Способността да измества магнитното поле се определя от естеството на равновесието, образувано от неутрализация вътре в единичната клетка на свръхпроводника.

Смята се, че свръхпроводник със слабо магнитно поле или изобщо без него е в състояние на Майснер. Но състоянието на Майснер се разпада, когато приложеното магнитно поле е твърде силно.

Тук си струва да се отбележи, че свръхпроводниците могат да бъдат разделени на два класа в зависимост от това как се случва това нарушение.В свръхпроводници от първи вид свръхпроводимостта рязко се нарушава, когато силата на приложеното магнитно поле стане по -висока от критичната стойност Hc.

В зависимост от геометрията на пробата може да се получи междинно състояние, подобно на изящния модел на участъци от нормален материал, носещи магнитно поле, смесени с области от свръхпроводящ материал, където няма магнитно поле.

В свръхпроводници тип II увеличаването на приложената сила на магнитното поле до първата критична стойност Hc1 води до смесено състояние (известно също като вихрово състояние), при което все повече и повече магнитен поток прониква в материала, но няма съпротивление на електрически ток, освен ако този ток не е твърде висок.

При стойността на втората критична якост Hc2 свръхпроводящото състояние се разрушава. Смесеното състояние се причинява от вихри в свръхтечна електронна течност, които понякога се наричат ​​флуксони (флуксон-квант на магнитния поток), тъй като потокът, пренесен от тези вихри, се квантува.

Най -чистите елементарни свръхпроводници, с изключение на ниобиевите и въглеродните нанотръби, са от първи тип, докато почти всички примеси и сложни свръхпроводници са от втори тип.

Феноменологично ефектът на Майснер е обяснен от братята Фриц и Хайнц Лондон, които показват, че свободната електромагнитна енергия на свръхпроводника е сведена до минимум при условие:

Това условие се нарича уравнение на Лондон. Той предсказва, че магнитното поле в свръхпроводник се разпада експоненциално от всяка стойност, която притежава на повърхността.

Ако се приложи слабо магнитно поле, тогава свръхпроводникът измества почти целия магнитен поток. Това се дължи на появата на електрически токове близо до повърхността му.Магнитното поле на повърхностните токове неутрализира приложеното магнитно поле вътре в обема на свръхпроводника. Тъй като изместването или потискането на полето не се променя с течение на времето, това означава, че токовете, създаващи този ефект (директни токове), не се разпадат с течение на времето.

Близо до повърхността на пробата, в рамките на лондонската дълбочина, магнитното поле не липсва напълно. Всеки свръхпроводящ материал има своя собствена дълбочина на магнитно проникване.

Всеки перфектен проводник ще предотврати всяка промяна в магнитния поток, преминаващ през повърхността му поради нормална електромагнитна индукция при нулево съпротивление. Но ефектът на Майснер е различен от това явление.

Когато конвенционален проводник се охлади така, че да премине в свръхпроводящо състояние в присъствието на постоянно приложено магнитно поле, магнитният поток се изхвърля по време на този преход. Този ефект не може да се обясни с безкрайна проводимост.

Поставянето и последващата левитация на магнит върху вече свръхпроводящ материал не показват ефекта на Майснер, докато ефектът на Майснер се показва, ако първоначално неподвижният магнит по -късно се отблъсне от свръхпроводника, охладен до критична температура.

В състоянието на Майснер свръхпроводниците проявяват перфектен диамагнетизъм или супердиамагнетизъм. Това означава, че общото магнитно поле е много близо до нула дълбоко в тях, на голямо разстояние навътре от повърхността. Магнитна чувствителност -1.

Диамагнетизмът се определя от генерирането на спонтанно намагнитване на материала, което е точно противоположно на посоката на външно приложеното магнитно поле.Но фундаменталният произход на диамагнетизма в свръхпроводниците и нормалните материали е много различен.

В обикновените материали диамагнетизмът възниква като пряк резултат от орбиталното въртене на електрони около ядрата на атом, индуцирано от електромагнитно, когато се прилага външно магнитно поле. В свръхпроводниците илюзията за перфектен диамагнетизъм възниква поради постоянни екраниращи токове, които протичат срещу приложеното поле (самият ефект на Майснер), а не само поради орбитално въртене.

Откриването на ефекта на Майснер доведе през 1935 г. до феноменологичната теория за свръхпроводимостта от Фриц и Хайнц Лондон. Тази теория обяснява изчезването на съпротивлението и ефекта на Майснер. Това ни позволи да направим първите теоретични прогнози за свръхпроводимостта.

Тази теория обаче обяснява само експерименталните наблюдения, но не позволява идентифицирането на макроскопския произход на свръхпроводящите свойства. Това беше успешно направено по-късно, през 1957 г., от теорията на Бардин-Купър-Шрифер, от която следва както дълбочината на проникване, така и ефектът на Майснер. Някои физици обаче твърдят, че теорията на Бардин-Купър-Шрифер не обяснява ефекта на Майснер.

Ефектът на Майснер се прилага съгласно следния принцип. Когато температурата на свръхпроводящ материал премине през критична стойност, магнитното поле около него рязко се променя, което води до генериране на импулс на ЕМП в бобина, навита около такъв материал. И когато токът на контролната намотка се промени, магнитното състояние на материала може да се контролира. Това явление се използва за измерване на свръхслаби магнитни полета с помощта на специални сензори.

Криотронът е превключващо устройство, базирано на ефекта на Майснер. Структурно се състои от два свръхпроводника. Ниобиева намотка е навита около танталова пръчка, през която протича контролен ток.

С увеличаване на управляващия ток силата на магнитното поле се увеличава и танталът преминава от състоянието на свръхпроводимост в обикновеното състояние.В този случай проводимостта на танталовия проводник и работният ток в управляващата верига се променят по нелинеен начин. На базата на криотрони например се създават контролирани клапани.