Kesan Meissner dan penggunaannya

Kesan Meissner atau kesan Meissner-Oxenfeld terdiri daripada anjakan medan magnet daripada sebahagian besar superkonduktor semasa peralihannya kepada keadaan superkonduktor. Fenomena ini ditemui pada tahun 1933 oleh ahli fizik Jerman Walter Meissner dan Robert Oxenfeld, yang mengukur taburan medan magnet di luar sampel superkonduktor timah dan plumbum.

Walter Meissner

Dalam eksperimen, superkonduktor, dengan kehadiran medan magnet yang digunakan, telah disejukkan di bawah suhu peralihan superkonduktor mereka sehingga hampir semua medan magnet dalaman sampel ditetapkan semula. Kesannya dikesan oleh saintis hanya secara tidak langsung, kerana fluks magnet superkonduktor dipelihara: apabila medan magnet di dalam sampel berkurangan, medan magnet luaran meningkat.

Oleh itu, eksperimen dengan jelas menunjukkan buat kali pertama bahawa superkonduktor bukan sahaja konduktor yang ideal, tetapi juga menunjukkan sifat penentu unik bagi keadaan superkonduktor.Keupayaan untuk mengalihkan medan magnet ditentukan oleh sifat keseimbangan yang dibentuk oleh peneutralan di dalam sel unit superkonduktor.

Superkonduktor dengan sedikit atau tiada medan magnet dikatakan berada dalam keadaan Meissner. Tetapi keadaan Meissner rosak apabila medan magnet yang digunakan terlalu kuat.

Perlu diperhatikan di sini bahawa superkonduktor boleh dibahagikan kepada dua kelas bergantung kepada bagaimana pelanggaran ini berlaku.Dalam superkonduktor jenis pertama, superkonduktiviti secara tiba-tiba dilanggar apabila kekuatan medan magnet yang digunakan menjadi lebih tinggi daripada nilai kritikal Hc.

Bergantung pada geometri sampel, keadaan perantaraan boleh diperolehi, serupa dengan corak indah kawasan bahan biasa yang membawa medan magnet bercampur dengan kawasan bahan superkonduktor di mana tiada medan magnet.

Dalam superkonduktor jenis II, meningkatkan kekuatan medan magnet yang digunakan kepada nilai kritikal pertama Hc1 membawa kepada keadaan bercampur (juga dikenali sebagai keadaan pusaran), di mana semakin banyak fluks magnet menembusi bahan, tetapi tiada rintangan kepada arus elektrik melainkan arus ini tidak terlalu tinggi.

Pada nilai kekuatan kritikal kedua Hc2 keadaan superkonduktor dimusnahkan. Keadaan bercampur disebabkan oleh vorteks dalam cecair elektron superfluid, yang kadang-kadang dipanggil fluxon (fluxon-quantum of magnetic flux) kerana fluks yang dibawa oleh vorteks ini dikuantisasi.

Superkonduktor unsur yang paling tulen, dengan pengecualian niobium dan nanotube karbon, adalah daripada jenis pertama, manakala hampir semua kekotoran dan superkonduktor kompleks adalah daripada jenis kedua.

Secara fenomenologi, kesan Meissner dijelaskan oleh saudara Fritz dan Heinz London, yang menunjukkan bahawa tenaga bebas elektromagnet superkonduktor diminimumkan di bawah keadaan:

Keadaan ini dipanggil persamaan London. Dia meramalkan bahawa medan magnet dalam superkonduktor mereput secara eksponen daripada apa-apa nilai yang ada di permukaan.

Jika medan magnet yang lemah dikenakan, maka superkonduktor menyesarkan hampir semua fluks magnet. Ini disebabkan oleh kemunculan arus elektrik berhampiran permukaannya. Medan magnet arus permukaan meneutralkan medan magnet yang digunakan di dalam isipadu superkonduktor. Oleh kerana anjakan atau penindasan medan tidak berubah dari semasa ke semasa, ini bermakna bahawa arus yang mencipta kesan ini (arus terus) tidak mereput dari semasa ke semasa.

Berhampiran permukaan sampel, dalam kedalaman London, medan magnet tidak sepenuhnya hilang. Setiap bahan superkonduktor mempunyai kedalaman penembusan magnetnya sendiri.

Mana-mana konduktor yang sempurna akan menghalang sebarang perubahan dalam fluks magnet yang melalui permukaannya disebabkan oleh aruhan elektromagnet biasa pada rintangan sifar. Tetapi kesan Meissner berbeza daripada fenomena ini.

Apabila konduktor konvensional disejukkan kepada keadaan superkonduktor dengan kehadiran medan magnet yang digunakan secara kekal, fluks magnet dibuang semasa peralihan ini. Kesan ini tidak dapat dijelaskan oleh kekonduksian tak terhingga.

Penempatan dan levitasi seterusnya magnet pada bahan yang sudah superkonduktor tidak mempamerkan kesan Meissner, manakala kesan Meissner dipamerkan jika magnet pegun pada mulanya kemudiannya ditolak oleh superkonduktor yang disejukkan ke suhu kritikal.

Dalam keadaan Meissner, superkonduktor mempamerkan diamagnetisme sempurna atau superdiamagnetisme. Ini bermakna bahawa jumlah medan magnet adalah sangat dekat dengan sifar jauh di dalam mereka, jarak yang jauh ke dalam dari permukaan. Kecenderungan magnetik -1.

Diamagnetisme ditakrifkan oleh penjanaan kemagnetan spontan bahan yang betul-betul bertentangan dengan arah medan magnet yang digunakan secara luaran.Tetapi asal-usul asas diamagnetisme dalam superkonduktor dan bahan biasa adalah sangat berbeza.

Dalam bahan biasa, diamagnetisme berlaku sebagai hasil langsung daripada putaran orbit teraruh elektromagnet elektron di sekeliling nukleus atom apabila medan magnet luar digunakan. Dalam superkonduktor, ilusi diamagnetisme sempurna timbul kerana arus pelindung berterusan yang mengalir melawan medan yang digunakan (kesan Meissner itu sendiri), bukan hanya kerana putaran orbit.

Penemuan kesan Meissner membawa pada tahun 1935 kepada teori fenomenologi superkonduktiviti oleh Fritz dan Heinz London. Teori ini menerangkan hilangnya rintangan dan kesan Meissner. Ini membolehkan kami membuat ramalan teori pertama mengenai superkonduktiviti.

Walau bagaimanapun, teori ini hanya menerangkan pemerhatian eksperimen, tetapi tidak membenarkan pengenalpastian asal makroskopik sifat superkonduktor.Ini berjaya dilakukan kemudian, pada tahun 1957, oleh teori Bardeen-Cooper-Schriefer, yang mana kedua-dua kedalaman penembusan dan kesan Meissner mengikuti. Walau bagaimanapun, sesetengah ahli fizik berpendapat bahawa teori Bardeen-Cooper-Schrieffer tidak menjelaskan kesan Meissner.

Kesan Meissner digunakan mengikut prinsip berikut. Apabila suhu bahan superkonduktor melepasi nilai kritikal, medan magnet di sekelilingnya berubah secara mendadak, mengakibatkan penjanaan nadi EMF dalam lilitan gegelung di sekeliling bahan tersebut. Dan apabila arus gegelung kawalan berubah, keadaan magnet bahan boleh dikawal. Fenomena ini digunakan untuk mengukur medan magnet ultra-lemah menggunakan sensor khas.

Cryotron ialah peranti pensuisan berdasarkan kesan Meissner. Secara struktur, ia terdiri daripada dua superkonduktor. Gegelung niobium dililit di sekeliling batang tantalum yang melaluinya arus kawalan mengalir.

Apabila arus kawalan meningkat, kekuatan medan magnet meningkat dan tantalum melepasi daripada keadaan superkonduktor kepada keadaan biasa. Dalam kes ini, kekonduksian wayar tantalum dan arus kendalian dalam litar kawalan berubah dalam bukan linear cara. Berdasarkan cryotron, sebagai contoh, injap terkawal dicipta.