Meissnerův jev a jeho využití

Meissnerův jev nebo Meissner-Oxenfeldův jev spočívá ve vytěsnění magnetického pole z objemu supravodiče při jeho přechodu do supravodivého stavu. Tento jev objevili v roce 1933 němečtí fyzikové Walter Meissner a Robert Oxenfeld, kteří měřili rozložení magnetického pole mimo supravodivé vzorky cínu a olova.

Walter Meissner

V experimentu byly supravodiče v přítomnosti aplikovaného magnetického pole ochlazovány pod teplotu jejich supravodivého přechodu, dokud se téměř veškeré vnitřní magnetické pole vzorků nevynulovalo. Účinek vědci detekovali pouze nepřímo, protože magnetický tok supravodiče je zachován: když se magnetické pole uvnitř vzorku sníží, vnější magnetické pole se zvětší.

Experiment tedy poprvé jasně ukázal, že supravodiče jsou nejen ideálními vodiči, ale také demonstrují jedinečnou definující vlastnost supravodivého stavu.Schopnost posunout magnetické pole je dána povahou rovnováhy vytvořené neutralizací uvnitř základní buňky supravodiče.

Říká se, že supravodič s malým nebo žádným magnetickým polem je v Meissnerově stavu. Ale Meissnerův stav se rozpadne, když je aplikované magnetické pole příliš silné.

Zde stojí za zmínku, že supravodiče lze rozdělit do dvou tříd podle toho, jak k tomuto porušení dochází.U supravodičů prvního typu dochází k náhlému porušení supravodivosti, když síla působícího magnetického pole přesáhne kritickou hodnotu Hc .

V závislosti na geometrii vzorku lze získat přechodný stav, podobný nádhernému vzoru oblastí normálního materiálu nesoucích magnetické pole smíchané s oblastmi supravodivého materiálu, kde není žádné magnetické pole.

U supravodičů typu II vede zvýšení aplikované intenzity magnetického pole na první kritickou hodnotu Hc1 ke smíšenému stavu (také známému jako vírový stav), ve kterém stále více magnetického toku proniká materiálem, ale není zde žádný odpor vůči elektrickému proudu. pokud tento proud není příliš vysoký.

Při hodnotě druhé kritické pevnosti Hc2 je supravodivý stav zničen. Smíšený stav je způsoben víry v supratekuté elektronové tekutině, které se někdy nazývají fluxony (fluxon-kvantum magnetického toku), protože tok přenášený těmito víry je kvantován.

Nejčistší elementární supravodiče, s výjimkou niobu a uhlíkových nanotrubic, jsou prvního typu, zatímco téměř všechny nečistoty a složité supravodiče jsou druhého typu.

Fenomenologicky Meissnerův jev vysvětlili bratři Fritz a Heinz Londonovi, kteří ukázali, že elektromagnetická volná energie supravodiče je minimalizována za podmínky:

Tato podmínka se nazývá Londonova rovnice. Předpověděl, že magnetické pole v supravodiči klesá exponenciálně z jakékoli hodnoty, kterou má na povrchu.

Pokud je aplikováno slabé magnetické pole, pak supravodič přemístí téměř celý magnetický tok. To je způsobeno výskytem elektrických proudů v blízkosti jeho povrchu Magnetické pole povrchových proudů neutralizuje aplikované magnetické pole uvnitř objemu supravodiče. Protože se posun nebo potlačení pole v průběhu času nemění, znamená to, že proudy vytvářející tento efekt (stejnosměrné proudy) se v průběhu času nerozpadají.

V blízkosti povrchu vzorku, v londýnské hloubce, magnetické pole zcela chybí. Každý supravodivý materiál má svou vlastní magnetickou hloubku průniku.

Jakýkoli dokonalý vodič zabrání jakékoli změně magnetického toku procházejícího jeho povrchem v důsledku běžné elektromagnetické indukce při nulovém odporu. Meissnerův efekt je však odlišný od tohoto jevu.

Když je konvenční vodič ochlazen do supravodivého stavu v přítomnosti permanentně aplikovaného magnetického pole, magnetický tok je během tohoto přechodu vyvržen. Tento efekt nelze vysvětlit nekonečnou vodivostí.

Umístění a následná levitace magnetu na již supravodivý materiál nevykazuje Meissnerův jev, zatímco Meissnerův jev se projevuje, pokud je původně stacionární magnet později odpuzován supravodičem ochlazeným na kritickou teplotu.

V Meissnerově stavu vykazují supravodiče dokonalý diamagnetismus nebo superdiamagnetismus. To znamená, že celkové magnetické pole je hluboko uvnitř nich velmi blízko nule, což je velká vzdálenost směrem dovnitř od povrchu. Magnetická susceptibilita -1.

Diamagnetismus je definován generováním spontánní magnetizace materiálu, která je přesně opačná než směr externě aplikovaného magnetického pole, ale základní původ diamagnetismu v supravodičích a normálních materiálech je velmi odlišný.

V běžných materiálech se diamagnetismus vyskytuje jako přímý výsledek elektromagneticky indukované orbitální rotace elektronů kolem atomových jader, když je aplikováno vnější magnetické pole. V supravodičích vzniká iluze dokonalého diamagnetismu díky konstantním stínícím proudům, které tečou proti aplikovanému poli (samotný Meissnerův jev), nejen kvůli orbitálnímu spinu.

Objev Meissnerova jevu vedl v roce 1935 k fenomenologické teorii supravodivosti Fritze a Heinze Londonových. Tato teorie vysvětluje vymizení odporu a Meissnerův efekt. To nám umožnilo učinit první teoretické předpovědi o supravodivosti.

Tato teorie však vysvětluje pouze experimentální pozorování, ale neumožňuje identifikaci makroskopického původu supravodivých vlastností.To se podařilo později, v roce 1957, Bardeen-Cooper-Schrieferovou teorií, z níž vyplývá jak hloubka průniku, tak Meissnerův efekt. Někteří fyzici však tvrdí, že Bardeen-Cooper-Schriefferova teorie nevysvětluje Meissnerův jev.

Meissnerův efekt je aplikován podle následujícího principu. Když teplota supravodivého materiálu projde kritickou hodnotou, magnetické pole kolem něj se náhle změní, což má za následek generování EMF pulsu v cívce navinuté kolem takového materiálu. A když se změní proud řídicí cívky, lze ovládat magnetický stav materiálu. Tento jev se využívá k měření ultraslabých magnetických polí pomocí speciálních senzorů.

Kryotron je spínací zařízení založené na Meissnerově jevu. Strukturálně se skládá ze dvou supravodičů. Niobová cívka je navinuta kolem tantalové tyče, kterou protéká řídicí proud.

Se zvyšujícím se řídicím proudem se zvyšuje síla magnetického pole a tantal přechází ze supravodivého stavu do běžného stavu.V tomto případě se vodivost tantalového drátu a provozní proud v řídicím obvodu mění nelineárně. způsob. Na bázi kryotronů vznikají například řízené ventily.