Meissner-effekten och dess användning

Meissner-effekten eller Meissner-Oxenfeld-effekten består i förskjutningen av ett magnetfält från huvuddelen av supraledaren under dess övergång till supraledande tillstånd. Detta fenomen upptäcktes 1933 av de tyska fysikerna Walter Meissner och Robert Oxenfeld, som mätte fördelningen av magnetfältet utanför supraledande prover av tenn och bly.

Walter Meissner

I experimentet kyldes supraledarna, i närvaro av ett pålagt magnetfält, under deras supraledande övergångstemperatur tills nästan alla provernas interna magnetfält återställdes. Effekten upptäcktes av forskare endast indirekt, eftersom supraledarens magnetiska flöde bevaras: när magnetfältet inuti provet minskar, ökar det externa magnetfältet.

Experimentet visade således tydligt för första gången att supraledare inte bara är idealiska ledare, utan också demonstrerar en unik definierande egenskap hos det supraledande tillståndet.Förmågan att förskjuta magnetfältet bestäms av karaktären hos den jämvikt som bildas genom neutralisering inuti supraledarens enhetscell.

En supraledare med lite eller inget magnetfält sägs vara i Meissner-tillståndet. Men Meissner-tillståndet bryts ner när det applicerade magnetfältet är för starkt.

Det är värt att notera här att supraledare kan delas in i två klasser beroende på hur denna överträdelse uppstår.I supraledare av den första typen bryts supraledning plötsligt när styrkan på det applicerade magnetfältet blir högre än det kritiska värdet Hc .

Beroende på geometrin hos provet kan ett mellantillstånd erhållas, liknande det utsökta mönstret av regioner av normalt material som bär ett magnetfält blandat med regioner av supraledande material där det inte finns något magnetfält.

I supraledare av typ II leder ökning av den applicerade magnetiska fältstyrkan till det första kritiska värdet Hc1 till ett blandat tillstånd (även känt som ett virveltillstånd), där mer och mer magnetiskt flöde penetrerar materialet, men det finns inget motstånd mot elektrisk ström om inte denna ström inte är för hög.

Vid värdet av den andra kritiska styrkan Hc2 förstörs det supraledande tillståndet. Det blandade tillståndet orsakas av virvlar i en superfluid elektronvätska, som ibland kallas fluxoner (fluxon-kvantum av magnetiskt flöde) eftersom flödet som bärs av dessa virvlar kvantiseras.

De renaste elementära supraledarna, med undantag för niob och kolnanorör, är av den första typen, medan nästan alla föroreningar och komplexa supraledare är av den andra typen.

Fenomenologiskt förklarades Meissner-effekten av bröderna Fritz och Heinz London, som visade att den elektromagnetiska fria energin hos en supraledare minimeras under villkoret:

Detta tillstånd kallas Londons ekvation. Han förutspådde att magnetfältet i en supraledare avtar exponentiellt från vilket värde det än har vid ytan.

Om ett svagt magnetfält appliceras, förskjuter supraledaren nästan hela magnetflödet. Detta beror på uppkomsten av elektriska strömmar nära dess yta. Ytströmmarnas magnetiska fält neutraliserar det pålagda magnetfältet inuti supraledarens volym. Eftersom förskjutningen eller undertryckningen av fältet inte förändras över tiden, betyder det att de strömmar som skapar denna effekt (likströmmar) inte avtar över tiden.

Nära provets yta, inom Londons djup, är magnetfältet inte helt frånvarande. Varje supraledande material har sitt eget magnetiska penetrationsdjup.

Varje perfekt ledare kommer att förhindra förändringar i magnetiskt flöde som passerar genom dess yta på grund av normal elektromagnetisk induktion vid nollresistans. Men Meissner-effekten skiljer sig från detta fenomen.

När en konventionell ledare kyls till ett supraledande tillstånd i närvaro av ett permanent applicerat magnetfält, kastas magnetiskt flöde ut under denna övergång. Denna effekt kan inte förklaras av oändlig konduktivitet.

Placeringen och efterföljande levitation av en magnet på ett redan supraledande material uppvisar inte Meissner-effekten, medan Meissner-effekten uppvisas om den initialt stationära magneten senare stöts bort av supraledaren kyld till en kritisk temperatur.

I Meissner-tillståndet uppvisar supraledare perfekt diamagnetism eller superdiamagnetism. Detta betyder att det totala magnetfältet är mycket nära noll djupt inuti dem, ett stort avstånd inåt från ytan. Magnetisk känslighet -1.

Diamagnetism definieras av genereringen av ett materials spontana magnetisering som är exakt motsatt riktningen för ett externt applicerat magnetfält, men det grundläggande ursprunget till diamagnetism i supraledare och normala material är mycket olika.

I vanliga material uppstår diamagnetism som ett direkt resultat av elektromagnetiskt inducerad orbital rotation av elektroner runt atomkärnor när ett externt magnetfält appliceras. I supraledare uppstår illusionen av perfekt diamagnetism på grund av konstanta avskärmningsströmmar som flyter mot det applicerade fältet (Meissner-effekten i sig), inte bara på grund av orbital spin.

Upptäckten av Meissner-effekten ledde 1935 till den fenomenologiska teorin om supraledning av Fritz och Heinz London. Denna teori förklarar försvinnandet av motstånd och Meissner-effekten. Detta gjorde det möjligt för oss att göra de första teoretiska förutsägelserna om supraledning.

Denna teori förklarar dock endast de experimentella observationerna, men tillåter inte identifieringen av det makroskopiska ursprunget för de supraledande egenskaperna.Detta gjordes framgångsrikt senare, 1957, av Bardeen-Cooper-Schriefer-teorin, från vilken både penetrationsdjupet och Meissnereffekten följer. Men vissa fysiker hävdar att Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin inte förklarar Meissner-effekten.

Meissner-effekten appliceras enligt följande princip. När temperaturen hos ett supraledande material passerar genom ett kritiskt värde, ändras magnetfältet runt det abrupt, vilket resulterar i generering av en EMF-puls i spolen lindad runt sådant material. Och när styrspolens ström ändras kan materialets magnetiska tillstånd kontrolleras. Detta fenomen används för att mäta ultrasvaga magnetfält med hjälp av speciella sensorer.

En kryotron är en omkopplingsenhet baserad på Meissner-effekten. Strukturellt består den av två supraledare. En niobspole är lindad runt en tantalstav genom vilken en styrström flyter.

När styrströmmen ökar, ökar styrkan på magnetfältet och tantalen går från supraledande tillstånd till ordinarie tillstånd.I detta fall ändras konduktiviteten hos tantaltråden och driftsströmmen i styrkretsen i en icke-linjär sätt. På basis av kryotroner skapas till exempel kontrollerade ventiler.