Meissner effect at ang paggamit nito

Ang Meissner effect o Meissner-Oxenfeld effect ay binubuo sa displacement ng isang magnetic field mula sa karamihan ng superconductor sa panahon ng paglipat nito sa superconducting state. Ang kababalaghang ito ay natuklasan noong 1933 ng mga German physicist na sina Walter Meissner at Robert Oxenfeld, na sinukat ang distribusyon ng magnetic field sa labas ng superconducting sample ng lata at tingga.

Walter Meissner

Sa eksperimento, ang mga superconductors, sa pagkakaroon ng isang inilapat na magnetic field, ay pinalamig sa ibaba ng kanilang superconducting transition temperature hanggang halos lahat ng internal magnetic field ng mga sample ay na-reset. Ang epekto ay napansin ng mga siyentipiko nang hindi direkta, dahil ang magnetic flux ng superconductor ay napanatili: kapag ang magnetic field sa loob ng sample ay bumababa, ang panlabas na magnetic field ay tumataas.

Kaya, malinaw na ipinakita ng eksperimento sa unang pagkakataon na ang mga superconductors ay hindi lamang mga ideal na conductor, ngunit nagpapakita rin ng isang natatanging katangian ng pagtukoy ng superconducting state.Ang kakayahang ilipat ang magnetic field ay natutukoy sa pamamagitan ng likas na katangian ng equilibrium na nabuo sa pamamagitan ng neutralisasyon sa loob ng unit cell ng superconductor.

Ang isang superconductor na may kaunti o walang magnetic field ay sinasabing nasa Meissner state. Ngunit ang estado ng Meissner ay nasira kapag ang inilapat na magnetic field ay masyadong malakas.

Kapansin-pansin dito na ang mga superconductors ay maaaring nahahati sa dalawang klase depende sa kung paano nangyayari ang paglabag na ito.

Depende sa geometry ng sample, ang isang intermediate na estado ay maaaring makuha, katulad ng katangi-tanging pattern ng mga rehiyon ng normal na materyal na nagdadala ng magnetic field na may halong mga rehiyon ng superconducting na materyal kung saan walang magnetic field.

Sa type II superconductor, ang pagtaas ng inilapat na lakas ng magnetic field sa unang kritikal na halaga na Hc1 ay humahantong sa isang halo-halong estado (kilala rin bilang isang estado ng vortex), kung saan parami nang parami ang magnetic flux na tumagos sa materyal, ngunit walang pagtutol sa electric current. maliban kung hindi masyadong mataas ang agos na ito.

Sa halaga ng pangalawang kritikal na lakas Hc2 ang estado ng superconducting ay nawasak. Ang mixed state ay sanhi ng mga vortices sa isang superfluid electron fluid, na kung minsan ay tinatawag na fluxon (fluxon-quantum of magnetic flux) dahil ang flux na dala ng mga vortice na ito ay quantize.

Ang mga purest elemental superconductor, maliban sa niobium at carbon nanotubes, ay nasa unang uri, habang halos lahat ng impurities at kumplikadong superconductor ay nasa pangalawang uri.

Phenomenologically, ang Meissner effect ay ipinaliwanag ng magkapatid na Fritz at Heinz London, na nagpakita na ang electromagnetic free energy ng isang superconductor ay pinaliit sa ilalim ng kondisyon:

Ang kundisyong ito ay tinatawag na London's equation. Hinulaan niya na ang magnetic field sa isang superconductor ay nabubulok nang husto mula sa anumang halaga nito sa ibabaw.

Kung ang isang mahina na magnetic field ay inilapat, pagkatapos ay ang superconductor displaces halos lahat ng magnetic flux. Ito ay dahil sa paglitaw ng mga electric current na malapit sa ibabaw nito.Ang magnetic field ng surface currents ay neutralisahin ang inilapat na magnetic field sa loob ng volume ng superconductor. Dahil ang displacement o pagsugpo sa field ay hindi nagbabago sa paglipas ng panahon, nangangahulugan ito na ang mga alon na lumilikha ng epekto na ito (mga direktang agos) ay hindi nabubulok sa paglipas ng panahon.

Malapit sa ibabaw ng sample, sa loob ng London depth, ang magnetic field ay hindi ganap na wala. Ang bawat superconducting material ay may sariling magnetic penetration depth.

Anumang perpektong konduktor ay pipigilan ang anumang pagbabago sa magnetic flux na dumaraan sa ibabaw nito dahil sa normal na electromagnetic induction sa zero resistance. Ngunit ang epekto ng Meissner ay naiiba sa hindi pangkaraniwang bagay na ito.

Kapag ang isang conventional conductor ay pinalamig sa isang superconducting state sa pagkakaroon ng isang permanenteng inilapat na magnetic field, ang magnetic flux ay itinatapon sa panahon ng paglipat na ito. Ang epektong ito ay hindi maipaliwanag ng walang katapusang kondaktibiti.

Ang paglalagay at kasunod na pag-levitation ng isang magnet sa isang superconducting na materyal ay hindi nagpapakita ng Meissner effect, samantalang ang Meissner effect ay ipinapakita kung ang unang nakatigil na magnet ay kalaunan ay naitaboy ng superconductor na pinalamig sa isang kritikal na temperatura.

Sa estado ng Meissner, ang mga superconductors ay nagpapakita ng perpektong diamagnetism o superdiamagnetism. Nangangahulugan ito na ang kabuuang magnetic field ay napakalapit sa zero sa kalaliman ng mga ito, isang malaking distansya sa loob mula sa ibabaw. Magnetic suceptibility -1.

Ang diamagnetism ay tinukoy sa pamamagitan ng pagbuo ng kusang magnetization ng isang materyal na eksaktong kabaligtaran sa direksyon ng isang panlabas na inilapat na magnetic field. Ngunit ang pangunahing pinagmulan ng diamagnetism sa mga superconductor at normal na mga materyales ay ibang-iba.

Sa ordinaryong mga materyales, ang diamagnetism ay nangyayari bilang isang direktang resulta ng electromagnetically induced orbital rotation ng mga electron sa paligid ng atomic nuclei kapag ang isang panlabas na magnetic field ay inilapat. Sa mga superconductor, ang ilusyon ng perpektong diamagnetism ay lumitaw dahil sa patuloy na proteksiyon na mga alon na dumadaloy laban sa inilapat na larangan (ang Meissner effect mismo), hindi lamang dahil sa orbital spin.

Ang pagtuklas ng Meissner effect ay humantong noong 1935 sa phenomenological theory ng superconductivity ni Fritz at Heinz London. Ipinapaliwanag ng teoryang ito ang pagkawala ng paglaban at ang epekto ng Meissner. Ito ay nagpapahintulot sa amin na gawin ang unang teoretikal na mga hula tungkol sa superconductivity.

Gayunpaman, ipinapaliwanag lamang ng teoryang ito ang mga eksperimentong obserbasyon, ngunit hindi pinapayagan ang pagkilala sa macroscopic na pinagmulan ng mga superconducting na katangian.Matagumpay itong nagawa nang maglaon, noong 1957, ng teoryang Bardeen-Cooper-Schriefer, kung saan pareho ang lalim ng pagtagos at ang epekto ng Meissner. Gayunpaman, ang ilang mga physicist ay nagtatalo na ang teorya ng Bardeen-Cooper-Schrieffer ay hindi nagpapaliwanag ng Meissner effect.

Ang Meissner effect ay inilapat ayon sa sumusunod na prinsipyo. Kapag ang temperatura ng isang superconducting na materyal ay dumaan sa isang kritikal na halaga, ang magnetic field sa paligid nito ay biglang nagbabago, na nagreresulta sa pagbuo ng isang EMF pulse sa coil na sugat sa paligid ng naturang materyal. At kapag ang kasalukuyang ng control coil ay nagbabago, ang magnetic state ng materyal ay maaaring kontrolin. Ang phenomenon na ito ay ginagamit upang sukatin ang mga ultra-weak na magnetic field gamit ang mga espesyal na sensor.

Ang cryotron ay isang switching device batay sa Meissner effect. Sa istruktura, binubuo ito ng dalawang superconductor. Ang isang niobium coil ay nasusugatan sa paligid ng isang tantalum rod kung saan dumadaloy ang isang control current.

Habang tumataas ang control current, tumataas ang lakas ng magnetic field at ang tantalum ay pumasa mula sa superconducting state patungo sa ordinaryong estado. Sa kasong ito, ang conductivity ng tantalum wire at ang operating current sa control circuit ay nagbabago sa isang non-linear paraan. Sa batayan ng mga cryotron, halimbawa, ang mga kinokontrol na balbula ay nilikha.