Το φαινόμενο Meissner και η χρήση του

Το φαινόμενο Meissner ή φαινόμενο Meissner-Oxenfeld συνίσταται στη μετατόπιση ενός μαγνητικού πεδίου από το μεγαλύτερο μέρος του υπεραγωγού κατά τη μετάβασή του στην υπεραγώγιμη κατάσταση. Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1933 από τους Γερμανούς φυσικούς Walter Meissner και Robert Oxenfeld, οι οποίοι μέτρησαν την κατανομή του μαγνητικού πεδίου έξω από υπεραγώγιμα δείγματα κασσίτερου και μολύβδου.

Walter Meissner

Στο πείραμα, οι υπεραγωγοί, παρουσία εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, ψύχθηκαν κάτω από τη θερμοκρασία μετάβασης της υπεραγώγιμης έως ότου επαναρυθμιστεί σχεδόν όλο το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο των δειγμάτων. Το φαινόμενο εντοπίστηκε από τους επιστήμονες μόνο έμμεσα, επειδή διατηρείται η μαγνητική ροή του υπεραγωγού: όταν το μαγνητικό πεδίο μέσα στο δείγμα μειώνεται, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αυξάνεται.

Έτσι, το πείραμα έδειξε ξεκάθαρα για πρώτη φορά ότι οι υπεραγωγοί δεν είναι μόνο ιδανικοί αγωγοί, αλλά επιδεικνύουν επίσης μια μοναδική καθοριστική ιδιότητα της υπεραγώγιμης κατάστασης.Η ικανότητα μετατόπισης του μαγνητικού πεδίου καθορίζεται από τη φύση της ισορροπίας που σχηματίζεται από την εξουδετέρωση μέσα στο μοναδιαίο στοιχείο του υπεραγωγού.

Ένας υπεραγωγός με ελάχιστο ή καθόλου μαγνητικό πεδίο λέγεται ότι βρίσκεται στην κατάσταση Meissner. Αλλά η κατάσταση Meissner καταρρέει όταν το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο είναι πολύ ισχυρό.

Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι οι υπεραγωγοί μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το πώς συμβαίνει αυτή η παραβίαση.Στους υπεραγωγούς του πρώτου τύπου, η υπεραγωγιμότητα παραβιάζεται απότομα όταν η ισχύς του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου γίνει μεγαλύτερη από την κρίσιμη τιμή Hc.

Ανάλογα με τη γεωμετρία του δείγματος, μπορεί να ληφθεί μια ενδιάμεση κατάσταση, παρόμοια με το εξαιρετικό σχέδιο περιοχών κανονικού υλικού που φέρουν μαγνητικό πεδίο αναμεμειγμένο με περιοχές υπεραγώγιμου υλικού όπου δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο.

Στους υπεραγωγούς τύπου II, η αύξηση της ισχύος του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου στην πρώτη κρίσιμη τιμή Hc1 οδηγεί σε μια μικτή κατάσταση (επίσης γνωστή ως κατάσταση δίνης), στην οποία όλο και περισσότερη μαγνητική ροή διεισδύει στο υλικό, αλλά δεν υπάρχει αντίσταση στο ηλεκτρικό ρεύμα εκτός αν αυτό το ρεύμα δεν είναι πολύ υψηλό.

Στην τιμή της δεύτερης κρίσιμης ισχύος Hc2 η υπεραγώγιμη κατάσταση καταστρέφεται. Η μικτή κατάσταση προκαλείται από δίνες σε ένα υπερρευστό ηλεκτρονιακό ρευστό, που μερικές φορές ονομάζονται fluxons (fluxon-quantum of magnetic flux) επειδή η ροή που μεταφέρεται από αυτές τις δίνες είναι κβαντισμένη.

Οι καθαρότεροι στοιχειώδεις υπεραγωγοί, με εξαίρεση τους νανοσωλήνες νιοβίου και άνθρακα, είναι του πρώτου τύπου, ενώ σχεδόν όλες οι ακαθαρσίες και οι σύνθετοι υπεραγωγοί είναι δεύτερου τύπου.

Φαινομενολογικά, το φαινόμενο Meissner εξηγήθηκε από τους αδελφούς Fritz και Heinz London, οι οποίοι έδειξαν ότι η ηλεκτρομαγνητική ελεύθερη ενέργεια ενός υπεραγωγού ελαχιστοποιείται υπό την προϋπόθεση:

Αυτή η συνθήκη ονομάζεται εξίσωση του Λονδίνου. Προέβλεψε ότι το μαγνητικό πεδίο σε έναν υπεραγωγό διασπάται εκθετικά από οποιαδήποτε τιμή έχει στην επιφάνεια.

Εάν εφαρμοστεί ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο, τότε ο υπεραγωγός εκτοπίζει σχεδόν όλη τη μαγνητική ροή. Αυτό οφείλεται στην εμφάνιση ηλεκτρικών ρευμάτων κοντά στην επιφάνειά του.Το μαγνητικό πεδίο των επιφανειακών ρευμάτων εξουδετερώνει το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο μέσα στον όγκο του υπεραγωγού. Δεδομένου ότι η μετατόπιση ή η καταστολή του πεδίου δεν αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, αυτό σημαίνει ότι τα ρεύματα που δημιουργούν αυτό το φαινόμενο (συνεχή ρεύματα) δεν διασπώνται με την πάροδο του χρόνου.

Κοντά στην επιφάνεια του δείγματος, εντός του βάθους του Λονδίνου, το μαγνητικό πεδίο δεν απουσιάζει εντελώς. Κάθε υπεραγώγιμο υλικό έχει το δικό του μαγνητικό βάθος διείσδυσης.

Οποιοσδήποτε τέλειος αγωγός θα αποτρέψει οποιαδήποτε αλλαγή στη μαγνητική ροή που διέρχεται από την επιφάνειά του λόγω κανονικής ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής σε μηδενική αντίσταση. Αλλά το φαινόμενο Meissner είναι διαφορετικό από αυτό το φαινόμενο.

Όταν ένας συμβατικός αγωγός ψύχεται σε υπεραγώγιμη κατάσταση παρουσία ενός μόνιμα εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, η μαγνητική ροή εκτοξεύεται κατά τη διάρκεια αυτής της μετάβασης. Αυτό το φαινόμενο δεν μπορεί να εξηγηθεί με άπειρη αγωγιμότητα.

Η τοποθέτηση και η επακόλουθη αιώρηση ενός μαγνήτη σε ένα ήδη υπεραγώγιμο υλικό δεν εμφανίζει το φαινόμενο Meissner, ενώ το φαινόμενο Meissner εμφανίζεται εάν ο αρχικά ακίνητος μαγνήτης απωθηθεί αργότερα από τον υπεραγωγό που ψύχθηκε σε μια κρίσιμη θερμοκρασία.

Στην κατάσταση Meissner, οι υπεραγωγοί εμφανίζουν τέλειο διαμαγνητισμό ή υπερδιαμαγνητισμό. Αυτό σημαίνει ότι το συνολικό μαγνητικό πεδίο είναι πολύ κοντά στο μηδέν βαθιά μέσα τους, μια μεγάλη απόσταση προς τα μέσα από την επιφάνεια. Μαγνητική επιδεκτικότητα -1.

Ο διαμαγνητισμός ορίζεται από τη δημιουργία αυθόρμητης μαγνήτισης ενός υλικού που είναι ακριβώς αντίθετη από την κατεύθυνση ενός εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, αλλά η θεμελιώδης προέλευση του διαμαγνητισμού στους υπεραγωγούς και τα κανονικά υλικά είναι πολύ διαφορετική.

Στα συνηθισμένα υλικά, ο διαμαγνητισμός εμφανίζεται ως άμεσο αποτέλεσμα της ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενης τροχιακής περιστροφής των ηλεκτρονίων γύρω από τους ατομικούς πυρήνες όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Στους υπεραγωγούς, η ψευδαίσθηση του τέλειου διαμαγνητισμού προκύπτει λόγω των συνεχών ρευμάτων θωράκισης που ρέουν ενάντια στο εφαρμοζόμενο πεδίο (το ίδιο το φαινόμενο Meissner), όχι μόνο λόγω της τροχιακής περιστροφής.

Η ανακάλυψη του φαινομένου Meissner οδήγησε το 1935 στη φαινομενολογική θεωρία της υπεραγωγιμότητας από τους Fritz και Heinz London. Αυτή η θεωρία εξηγεί την εξαφάνιση της αντίστασης και του φαινομένου Meissner. Αυτό μας επέτρεψε να κάνουμε τις πρώτες θεωρητικές προβλέψεις σχετικά με την υπεραγωγιμότητα.

Ωστόσο, αυτή η θεωρία εξηγεί μόνο τις πειραματικές παρατηρήσεις, αλλά δεν επιτρέπει τον προσδιορισμό της μακροσκοπικής προέλευσης των υπεραγώγιμων ιδιοτήτων.Αυτό έγινε με επιτυχία αργότερα, το 1957, από τη θεωρία Bardeen-Cooper-Schriefer, από την οποία προκύπτει τόσο το βάθος διείσδυσης όσο και το φαινόμενο Meissner. Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί υποστηρίζουν ότι η θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer δεν εξηγεί το φαινόμενο Meissner.

Το φαινόμενο Meissner εφαρμόζεται σύμφωνα με την ακόλουθη αρχή. Όταν η θερμοκρασία ενός υπεραγώγιμου υλικού διέρχεται από μια κρίσιμη τιμή, το μαγνητικό πεδίο γύρω από αυτό αλλάζει απότομα, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός παλμού EMF στο πηνίο που τυλίγεται γύρω από αυτό το υλικό. Και όταν το ρεύμα του πηνίου ελέγχου αλλάζει, η μαγνητική κατάσταση του υλικού μπορεί να ελεγχθεί. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται για τη μέτρηση εξαιρετικά αδύναμων μαγνητικών πεδίων χρησιμοποιώντας ειδικούς αισθητήρες.

Το κρυότρον είναι μια συσκευή μεταγωγής που βασίζεται στο φαινόμενο Meissner. Δομικά, αποτελείται από δύο υπεραγωγούς. Ένα πηνίο νιοβίου τυλίγεται γύρω από μια ράβδο τανταλίου μέσω της οποίας ρέει ένα ρεύμα ελέγχου.

Καθώς αυξάνεται το ρεύμα ελέγχου, η ισχύς του μαγνητικού πεδίου αυξάνεται και το ταντάλιο περνά από την υπεραγώγιμη κατάσταση στη συνηθισμένη κατάσταση. τρόπος. Με βάση τα κρυοτόνια, για παράδειγμα, δημιουργούνται ελεγχόμενες βαλβίδες.