Meissner-effektus és felhasználása

A Meissner-effektus vagy a Meissner-Oxenfeld-effektus abban áll, hogy a szupravezető nagy részéből egy mágneses mezőt eltolnak a szupravezető állapotba való átmenete során. Ezt a jelenséget 1933-ban fedezték fel Walter Meissner és Robert Oxenfeld német fizikusok, akik megmérték a mágneses tér eloszlását a szupravezető ón- és ólommintákon kívül.

Walter Meissner

A kísérletben a szupravezetőket alkalmazott mágneses tér jelenlétében szupravezető átmeneti hőmérsékletük alá hűtöttük, amíg szinte az összes minta belső mágneses tere visszaállt. A hatást a tudósok csak közvetetten észlelték, mert a szupravezető mágneses fluxusa megmarad: ha a mintán belüli mágneses tér csökken, a külső mágneses tér nő.

Így a kísérlet először mutatta be egyértelműen, hogy a szupravezetők nemcsak ideális vezetők, hanem a szupravezető állapot egy egyedi meghatározó tulajdonságát is demonstrálják.A mágneses tér eltolásának képességét a szupravezető egység celláján belüli semlegesítéssel kialakuló egyensúly természete határozza meg.

Azt mondják, hogy egy szupravezető, amelynek mágneses mezője kicsi vagy nincs, Meissner állapotú. De a Meissner-állapot felbomlik, ha az alkalmazott mágneses tér túl erős.

Itt érdemes megjegyezni, hogy a szupravezetőket két osztályba lehet osztani attól függően, hogy ez a sértés hogyan történik.. Az első típusú szupravezetőknél a szupravezető képesség hirtelen megsérül, ha az alkalmazott mágneses tér erőssége meghaladja a Hc kritikus értéket.

A minta geometriájától függően egy köztes állapot érhető el, hasonlóan a normál anyag mágneses teret hordozó régióinak gyönyörű mintázatához, keveredve szupravezető anyag olyan területeivel, ahol nincs mágneses tér.

A II-es típusú szupravezetőknél az alkalmazott mágneses térerősséget az első kritikus Hc1 értékre növelve kevert állapotba (más néven örvényállapotba) vezet, amelyben egyre több mágneses fluxus hatol be az anyagba, de nincs ellenállás az elektromos árammal szemben. hacsak ez az áram nem túl nagy.

A második kritikus szilárdság Hc2 értékénél a szupravezető állapot megsemmisül. A kevert állapotot egy szuperfolyékony elektronfolyadékban lévő örvények okozzák, amelyeket néha fluxonoknak (mágneses fluxus fluxonkvantumának) neveznek, mivel az örvények által hordozott fluxus kvantált.

A legtisztább elemi szupravezetők a nióbium és a szén nanocsövek kivételével az első típusúak, míg szinte minden szennyeződés és komplex szupravezető a második típusú.

Fenomenológiailag a Meissner-effektust Fritz és Heinz London testvérek magyarázták, akik kimutatták, hogy a szupravezető elektromágneses szabad energiája minimálisra csökken a következő feltételek mellett:

Ezt a feltételt London egyenletének nevezik. Megjósolta, hogy a szupravezető mágneses tere exponenciálisan lecsökken attól az értéktől, ami a felszínen van.

Ha gyenge mágneses teret alkalmazunk, akkor a szupravezető szinte az egész mágneses fluxust kiszorítja. Ennek oka az elektromos áramok megjelenése a felület közelében, a felületi áramok mágneses tere a szupravezető térfogatában semlegesíti az alkalmazott mágneses teret. Mivel a mező elmozdulása vagy elnyomása nem változik az idő múlásával, ez azt jelenti, hogy az ezt a hatást kiváltó áramok (egyenáramok) nem csillapodnak az idő múlásával.

A minta felszínének közelében, a londoni mélységben a mágneses tér nem hiányzik teljesen. Minden szupravezető anyagnak saját mágneses behatolási mélysége van.

Bármely tökéletes vezető megakadályozza a felületén áthaladó mágneses fluxus bármilyen változását a normál elektromágneses indukció miatt nulla ellenállás mellett. De a Meissner-effektus különbözik ettől a jelenségtől.

Ha egy hagyományos vezetőt tartósan alkalmazott mágneses tér jelenlétében szupravezető állapotba hűtjük, az átmenet során a mágneses fluxus kidob. Ez a hatás nem magyarázható végtelen vezetőképességgel.

A mágnes elhelyezése és későbbi lebegtetése egy már szupravezető anyagon nem mutat Meissner-effektust, míg a Meissner-effektus akkor jelentkezik, ha a kezdetben álló mágnest később taszítja a kritikus hőmérsékletre hűtött szupravezető.

A Meissner-állapotban a szupravezetők tökéletes diamagnetizmust vagy szuperdiamágnesességet mutatnak. Ez azt jelenti, hogy a teljes mágneses tér mélyen belül nagyon közel van a nullához, nagy távolságra befelé a felszíntől. Mágneses érzékenység -1.

A diamágnesességet az anyag spontán mágnesezettségének a generálása határozza meg, amely pontosan ellentétes a külsőleg alkalmazott mágneses tér irányával, de a szupravezetők és a normál anyagok diamágnesességének alapvető eredete nagyon eltérő.

A közönséges anyagokban a diamágnesesség az elektronok elektromágneses úton indukált pályafordulásának közvetlen eredménye az atommagok körül, amikor külső mágneses mezőt alkalmaznak. A szupravezetőkben a tökéletes diamágnesesség illúziója az alkalmazott térrel ellentétes állandó árnyékoló áramok (maga a Meissner-effektus), nem csak az orbitális spin miatt jön létre.

A Meissner-effektus felfedezése 1935-ben vezetett Fritz és Heinz London fenomenológiai szupravezetési elméletéhez. Ez az elmélet magyarázza az ellenállás és a Meissner-effektus eltűnését. Ez lehetővé tette számunkra, hogy elkészítsük az első elméleti előrejelzéseket a szupravezetésről.

Ez az elmélet azonban csak a kísérleti megfigyeléseket magyarázza, de nem teszi lehetővé a szupravezető tulajdonságok makroszkopikus eredetének azonosítását.Ezt később, 1957-ben sikeresen megvalósította a Bardeen-Cooper-Schriefer elmélet, amelyből mind a behatolás mélysége, mind a Meissner-effektus következik. Egyes fizikusok azonban azzal érvelnek, hogy a Bardeen-Cooper-Schrieffer elmélet nem magyarázza meg a Meissner-effektust.

A Meissner-effektust a következő elv szerint alkalmazzuk. Amikor egy szupravezető anyag hőmérséklete átmegy egy kritikus értéken, a körülötte lévő mágneses tér hirtelen megváltozik, ami EMF-impulzus keletkezését eredményezi az ilyen anyag köré tekercselt tekercsben. És amikor a vezérlőtekercs árama megváltozik, az anyag mágneses állapota szabályozható. Ezt a jelenséget ultragyenge mágneses mezők mérésére használják speciális érzékelők segítségével.

A kriotron a Meissner-effektuson alapuló kapcsolóeszköz. Szerkezetileg két szupravezetőből áll. A nióbium tekercset egy tantál rúd köré tekerik, amelyen vezérlőáram folyik át.

A vezérlőáram növekedésével a mágneses tér erőssége növekszik és a tantál a szupravezető állapotból a közönséges állapotba kerül, ilyenkor a tantálhuzal vezetőképessége és a vezérlőáramkörben lévő üzemi áram nem lineárisan változik módon. A kriotronok alapján például szabályozott szelepeket hoznak létre.