Мајснеров ефекат и његова употреба

Мајснеров ефекат или Мајснер-Оксенфелдов ефекат се састоји у померању магнетног поља из највећег дела суперпроводника током његовог преласка у суправодљиво стање. Ову појаву су 1933. године открили немачки физичари Валтер Мајснер и Роберт Оксенфелд, који су мерили дистрибуцију магнетног поља изван суправодљивих узорака калаја и олова.

Валтер Меисснер

У експерименту, суперпроводници су, у присуству примењеног магнетног поља, хлађени испод њихове суправодљиве прелазне температуре док се скоро све унутрашње магнетно поље узорка не ресетује. Ефекат су научници открили само индиректно, јер је магнетни флукс суперпроводника очуван: када се магнетно поље унутар узорка смањи, спољашње магнетно поље се повећава.

Тако је експеримент по први пут јасно показао да су суперпроводници не само идеални проводници, већ показују и јединствено својство које дефинише суправодљиво стање.Способност померања магнетног поља одређена је природом равнотеже формиране неутрализацијом унутар јединичне ћелије суперпроводника.

За суперпроводник са мало или без магнетног поља се каже да је у Мајснеровом стању. Али Мајснерово стање се распада када је примењено магнетно поље прејако.

Овде је вредно напоменути да се суперпроводници могу поделити у две класе у зависности од тога како долази до овог кршења.У суправодницима првог типа суперпроводљивост се нагло нарушава када јачина примењеног магнетног поља постане већа од критичне вредности Хц .

У зависности од геометрије узорка, може се добити средње стање, слично изврсном узорку региона нормалног материјала који носе магнетно поље помешано са регионима суперпроводног материјала где нема магнетног поља.

У суперпроводницима типа ИИ, повећање примењене јачине магнетног поља до прве критичне вредности Хц1 доводи до мешовитог стања (такође познатог као вртложно стање), у коме све више и више магнетног флукса продире у материјал, али нема отпора електричној струји. осим ако ова струја није превелика.

На вредности друге критичне јачине Хц2 суперпроводно стање је уништено. Мешано стање је узроковано вртлозима у суперфлуидној електронској течности, који се понекад називају флуксони (флуксон-квант магнетног флукса) јер је флукс који носе ови вртлози квантизован.

Најчистији елементарни суперпроводници, са изузетком ниобијума и угљеничних наноцеви, су првог типа, док су скоро све нечистоће и сложени суперпроводници другог типа.

Феноменолошки, Мајснеров ефекат су објаснили браћа Фриц и Хајнц Лондон, који су показали да је електромагнетна слободна енергија супрапроводника минимизирана под условом:

Овај услов се зове Лондонова једначина. Он је предвидео да магнетно поље у суправоднику опада експоненцијално од било које вредности које има на површини.

Ако се примени слабо магнетно поље, онда суперпроводник помера скоро сав магнетни флукс. Ово је због појаве електричних струја у близини његове површине.Магнетно поље површинских струја неутралише примењено магнетно поље унутар запремине суперпроводника. Пошто се померање или потискивање поља не мења током времена, то значи да струје које стварају овај ефекат (једносмерне струје) не опадају током времена.

Близу површине узорка, у дубини Лондона, магнетно поље није потпуно одсутно. Сваки суперпроводни материјал има своју дубину магнетне пенетрације.

Сваки савршен проводник ће спречити било какву промену у магнетном флуксу који пролази кроз његову површину услед нормалне електромагнетне индукције при нултом отпору. Али Мајснеров ефекат се разликује од овог феномена.

Када се конвенционални проводник охлади до суперпроводног стања у присуству стално примењеног магнетног поља, магнетни флукс се избацује током овог прелаза. Овај ефекат се не може објаснити бесконачном проводљивошћу.

Постављање и накнадна левитација магнета на већ суправодљиви материјал не показује Мајснеров ефекат, док се Мајснеров ефекат испољава ако се првобитно стационарни магнет касније одбија од суперпроводника охлађеног на критичну температуру.

У Мајснеровом стању, суперпроводници показују савршени дијамагнетизам или супердијамагнетизам. То значи да је укупно магнетно поље веома близу нули дубоко у њима, на великој удаљености од површине. Магнетна осетљивост -1.

Дијамагнетизам се дефинише стварањем спонтане магнетизације материјала која је потпуно супротна смеру спољашњег магнетног поља.Али основно порекло дијамагнетизма у суперпроводницима и нормалним материјалима је веома различито.

У обичним материјалима, дијамагнетизам се јавља као директан резултат електромагнетно индуковане орбиталне ротације електрона око атомских језгара када се примени спољашње магнетно поље. У суперпроводницима, илузија савршеног дијамагнетизма настаје због сталних заштитних струја које теку против примењеног поља (сами Мајснеров ефекат), а не само због орбиталног спина.

Откриће Мајснеровог ефекта довело је 1935. до феноменолошке теорије суправодљивости Фрица и Хајнца Лондона. Ова теорија објашњава нестанак отпора и Мајснеров ефекат. То нам је омогућило да направимо прва теоријска предвиђања о суперпроводљивости.

Међутим, ова теорија само објашњава експериментална запажања, али не дозвољава идентификацију макроскопског порекла суправодљивих својстава.То је касније, 1957. године, успешно урадила Бардин-Купер-Шриферова теорија, из које произилазе и дубина продирања и Мајснеров ефекат. Међутим, неки физичари тврде да Бардин-Купер-Шриферова теорија не објашњава Мајснеров ефекат.

Мајснеров ефекат се примењује према следећем принципу. Када температура суперпроводног материјала прође кроз критичну вредност, магнетно поље око њега се нагло мења, што резултира генерисањем ЕМФ импулса у завојници намотаној око таквог материјала. А када се струја контролног намотаја промени, може се контролисати магнетно стање материјала. Овај феномен се користи за мерење ултра-слабих магнетних поља помоћу специјалних сензора.

Криотрон је уређај за пребацивање заснован на Мајснеровом ефекту. Структурно се састоји од два суперпроводника. Ниобијумска завојница је намотана око танталске шипке кроз коју протиче контролна струја.

Како се контролна струја повећава, јачина магнетног поља расте и тантал прелази из суперпроводног стања у обично стање.У овом случају се проводљивост танталне жице и радна струја у контролном колу мењају нелинеарно. манир. На основу криотрона, на пример, креирају се контролисани вентили.