Meissner-ilmiö ja sen käyttö

Meissner-ilmiö tai Meissner-Oxenfeld-ilmiö koostuu magneettikentän siirtymisestä suprajohteen pääosasta sen siirtyessä suprajohtavaan tilaan. Tämän ilmiön löysivät vuonna 1933 saksalaiset fyysikot Walter Meissner ja Robert Oxenfeld, jotka mittasivat magneettikentän jakautumisen suprajohtavien tina- ja lyijynäytteiden ulkopuolella.

Walter Meissner

Kokeessa suprajohteet, käytetyn magneettikentän läsnä ollessa, jäähdytettiin suprajohtavan siirtymälämpötilansa alapuolelle, kunnes lähes kaikki näytteiden sisäinen magneettikenttä nollattiin. Tutkijat havaitsivat vaikutuksen vain epäsuorasti, koska suprajohteen magneettivuo säilyy: kun magneettikenttä näytteen sisällä pienenee, ulkoinen magneettikenttä kasvaa.

Siten koe osoitti ensimmäistä kertaa selvästi, että suprajohteet eivät ole vain ihanteellisia johtimia, vaan ne osoittavat myös suprajohtavan tilan ainutlaatuisen määrittävän ominaisuuden.Kyky siirtää magneettikenttää määräytyy suprajohteen yksikkökennon sisällä neutraloimalla muodostuvan tasapainon luonteesta.

Suprajohteen, jolla on vähän tai ei ollenkaan magneettikenttää, sanotaan olevan Meissner-tilassa. Mutta Meissnerin tila hajoaa, kun käytetty magneettikenttä on liian voimakas.

Tässä on syytä huomata, että suprajohteet voidaan jakaa kahteen luokkaan riippuen siitä, miten tämä rikkomus tapahtuu.Ensimmäisen tyypin suprajohteissa suprajohtavuus rikkoutuu äkillisesti, kun käytetyn magneettikentän voimakkuus nousee kriittistä arvoa Hc korkeammaksi.

Näytteen geometriasta riippuen voidaan saavuttaa välitila, joka on samanlainen kuin normaalin materiaalin alueiden hieno kuvio, jossa on magneettikenttä sekoitettuna suprajohtavan materiaalin alueiden kanssa, joilla ei ole magneettikenttää.

Tyypin II suprajohtimissa käytetyn magneettikentän voimakkuuden lisääminen ensimmäiseen kriittiseen arvoon Hc1 johtaa sekoitettuun tilaan (tunnetaan myös pyörretilana), jossa magneettivuo tunkeutuu materiaaliin yhä enemmän, mutta sähkövirralle ei vastusta. ellei tämä virta ole liian suuri.

Toisen kriittisen vahvuuden Hc2 arvolla suprajohtava tila tuhoutuu. Sekatilan aiheuttavat superfluidin elektroninesteen pyörteet, joita kutsutaan joskus fluxoneiksi (magneettivuon fluxon-kvantti), koska näiden pyörteiden kuljettama vuo kvantisoituu.

Puhtaimmat alkuainesuprajohteet niobiumia ja hiilinanoputkia lukuun ottamatta ovat ensimmäistä tyyppiä, kun taas lähes kaikki epäpuhtaudet ja monimutkaiset suprajohteet ovat toista tyyppiä.

Fenomenologisesti Meissner-ilmiön selittivät veljekset Fritz ja Heinz London, jotka osoittivat, että suprajohteen sähkömagneettinen vapaa energia on minimoitu seuraavissa olosuhteissa:

Tätä ehtoa kutsutaan Lontoon yhtälöksi. Hän ennusti, että suprajohteen magneettikenttä vaimenee eksponentiaalisesti sen pinnan arvosta riippumatta.

Jos käytetään heikkoa magneettikenttää, suprajohde syrjäyttää lähes kaiken magneettivuon. Tämä johtuu sähkövirtojen ilmaantumisesta lähellä sen pintaa.Pintavirtojen magneettikenttä neutraloi magneettikentän suprajohteen tilavuuden sisällä. Koska kentän siirtymä tai vaimennus ei muutu ajan kuluessa, tämä tarkoittaa, että tämän vaikutuksen aiheuttavat virrat (tasavirrat) eivät vaimene ajan myötä.

Näytteen pinnan lähellä, Lontoon syvyydessä, magneettikenttä ei ole täysin poissa. Jokaisella suprajohtavalla materiaalilla on oma magneettinen tunkeutumissyvyys.

Mikä tahansa täydellinen johdin estää sen pinnan läpi kulkevan magneettivuon muutoksen normaalista sähkömagneettisesta induktiosta nollaresistanssissa. Mutta Meissner-ilmiö on erilainen kuin tämä ilmiö.

Kun tavanomainen johdin jäähdytetään suprajohtavaan tilaan pysyvästi käytetyn magneettikentän läsnä ollessa, magneettivuo heitetään ulos tämän siirtymän aikana. Tätä vaikutusta ei voida selittää äärettömällä johtavuudella.

Magneetin sijoittaminen ja myöhempi levitaatio jo suprajohtavan materiaalin päälle ei osoita Meissner-ilmiötä, kun taas Meissner-ilmiö ilmenee, jos alun perin paikallaan oleva magneetti myöhemmin hylkii kriittiseen lämpötilaan jäähdytetyn suprajohteen.

Meissnerin tilassa suprajohteet osoittavat täydellistä diamagnetismia tai superdiamagnetismia. Tämä tarkoittaa, että kokonaismagneettikenttä on hyvin lähellä nollaa syvällä niiden sisällä, suuren matkan sisäänpäin pinnasta. Magneettinen herkkyys -1.

Diamagnetismi määritellään materiaalin spontaanin magnetisoitumisen synnyttämisellä, joka on täsmälleen päinvastainen ulkoisesti kohdistetun magneettikentän suuntaa vastaan, mutta suprajohteiden ja normaaleiden materiaalien diamagnetismin perusta on hyvin erilainen.

Tavallisissa materiaaleissa diamagnetismi tapahtuu suorana seurauksena sähkömagneettisesti indusoidusta elektronien kiertoradalla atomiytimien ympärillä, kun ulkoista magneettikenttää käytetään. Suprajohtimissa illuusio täydellisestä diamagnetismista syntyy jatkuvista suojavirroista, jotka virtaavat käytettyä kenttää vastaan ​​(itse Meissner-ilmiö), ei pelkästään kiertoradan spinin vuoksi.

Meissner-ilmiön löytäminen johti vuonna 1935 Fritzin ja Heinz Londonin fenomenologiseen suprajohtavuusteoriaan. Tämä teoria selittää vastuksen katoamisen ja Meissner-ilmiön. Tämä antoi meille mahdollisuuden tehdä ensimmäiset teoreettiset ennusteet suprajohtavuudesta.

Tämä teoria kuitenkin selittää vain kokeelliset havainnot, mutta ei salli suprajohtavien ominaisuuksien makroskooppisen alkuperän tunnistamista.Tämä onnistui myöhemmin, vuonna 1957, Bardeen-Cooper-Schrieferin teorialla, josta sekä tunkeutumissyvyys että Meissner-ilmiö seuraavat. Jotkut fyysikot kuitenkin väittävät, että Bardeen-Cooper-Schriefferin teoria ei selitä Meissner-ilmiötä.

Meissner-ilmiötä sovelletaan seuraavan periaatteen mukaisesti. Kun suprajohtavan materiaalin lämpötila ylittää kriittisen arvon, sen ympärillä oleva magneettikenttä muuttuu äkillisesti, mikä johtaa EMF-pulssin syntymiseen tällaisen materiaalin ympärille kierrettyyn kelaan. Ja kun ohjauskäämin virta muuttuu, materiaalin magneettista tilaa voidaan ohjata. Tätä ilmiötä käytetään mittaamaan erittäin heikkoja magneettikenttiä erityisillä antureilla.

Kryotroni on Meissner-ilmiöön perustuva kytkinlaite. Rakenteellisesti se koostuu kahdesta suprajohteesta. Niobikäämi on kierretty tantaalitangon ympärille, jonka läpi virtaa ohjausvirta.

Ohjausvirran kasvaessa magneettikentän voimakkuus kasvaa ja tantaali siirtyy suprajohtavasta tilasta normaalitilaan, jolloin tantaalilangan johtavuus ja ohjauspiirin käyttövirta muuttuvat epälineaarisesti. tavalla. Kryotronien pohjalta luodaan esimerkiksi ohjattuja venttiileitä.