Efectul Meissner și utilizarea acestuia

Efectul Meissner sau efectul Meissner-Oxenfeld constă în deplasarea unui câmp magnetic din cea mai mare parte a supraconductorului în timpul trecerii acestuia la starea supraconductivă. Acest fenomen a fost descoperit în 1933 de către fizicienii germani Walter Meissner și Robert Oxenfeld, care au măsurat distribuția câmpului magnetic în afara probelor supraconductoare de staniu și plumb.

Walter Meissner

În experiment, supraconductorii, în prezența unui câmp magnetic aplicat, au fost răciți sub temperatura lor de tranziție supraconductivă până când aproape tot câmpul magnetic intern al probelor a fost resetat. Efectul a fost detectat de oamenii de știință doar indirect, deoarece fluxul magnetic al supraconductorului este păstrat: atunci când câmpul magnetic din interiorul probei scade, câmpul magnetic extern crește.

Astfel, experimentul a arătat clar pentru prima dată că supraconductorii nu sunt doar conductori ideali, ci demonstrează și o proprietate definitorie unică a stării supraconductoare.Capacitatea de a deplasa câmpul magnetic este determinată de natura echilibrului format prin neutralizarea în interiorul celulei unitare a supraconductorului.

Se spune că un supraconductor cu câmp magnetic mic sau deloc este în starea Meissner. Dar starea Meissner se strică atunci când câmpul magnetic aplicat este prea puternic.

Este demn de remarcat aici că supraconductorii pot fi împărțiți în două clase în funcție de modul în care se produce această încălcare.La supraconductorii de primul tip, supraconductivitatea este brusc încălcată atunci când puterea câmpului magnetic aplicat devine mai mare decât valoarea critică Hc .

În funcție de geometria probei, se poate obține o stare intermediară, similară cu modelul rafinat al regiunilor de material normal care poartă un câmp magnetic amestecat cu regiuni de material supraconductor unde nu există câmp magnetic.

În supraconductorii de tip II, creșterea intensității câmpului magnetic aplicat până la prima valoare critică Hc1 duce la o stare mixtă (cunoscută și ca stare de vortex), în care tot mai mult flux magnetic pătrunde în material, dar nu există rezistență la curentul electric. cu excepția cazului în care acest curent nu este prea mare.

La valoarea celei de-a doua rezistențe critice Hc2 starea supraconductoare este distrusă. Starea mixtă este cauzată de vârtejuri dintr-un fluid de electroni superfluid, care sunt uneori numiți fluxoni (fluxon-quantum de flux magnetic) deoarece fluxul transportat de aceste vârtejuri este cuantificat.

Cei mai puri supraconductori elementari, cu excepția nanotuburilor de niobiu și carbon, sunt de primul tip, în timp ce aproape toate impuritățile și supraconductorii complecși sunt de al doilea tip.

Fenomenologic, efectul Meissner a fost explicat de frații Fritz și Heinz London, care au arătat că energia electromagnetică liberă a unui supraconductor este minimizată în condiția:

Această condiție se numește ecuația Londrei. El a prezis că câmpul magnetic dintr-un supraconductor scade exponențial de la orice valoare are la suprafață.

Dacă se aplică un câmp magnetic slab, atunci supraconductorul deplasează aproape tot fluxul magnetic. Acest lucru se datorează apariției curenților electrici în apropierea suprafeței sale.Câmpul magnetic al curenților de suprafață neutralizează câmpul magnetic aplicat în interiorul volumului supraconductorului. Deoarece deplasarea sau suprimarea câmpului nu se modifică în timp, aceasta înseamnă că curenții care creează acest efect (curenți continui) nu se degradează în timp.

Aproape de suprafața probei, în adâncimea Londrei, câmpul magnetic nu este complet absent. Fiecare material supraconductor are propria sa adâncime de penetrare magnetică.

Orice conductor perfect va preveni orice modificare a fluxului magnetic care trece prin suprafața sa datorită inducției electromagnetice normale la rezistență zero. Dar efectul Meissner este diferit de acest fenomen.

Când un conductor convențional este răcit la o stare supraconductivă în prezența unui câmp magnetic aplicat permanent, fluxul magnetic este aruncat în timpul acestei tranziții. Acest efect nu poate fi explicat prin conductivitate infinită.

Amplasarea și levitația ulterioară a unui magnet pe un material deja supraconductor nu prezintă efectul Meissner, în timp ce efectul Meissner este prezentat dacă magnetul inițial staționar este ulterior respins de supraconductorul răcit la o temperatură critică.

În starea Meissner, supraconductorii prezintă diamagnetism sau superdiamagnetism perfect. Aceasta înseamnă că câmpul magnetic total este foarte aproape de zero adânc în interiorul lor, la o distanță mare spre interior de suprafață. Susceptibilitate magnetică -1.

Diamagnetismul este definit prin generarea magnetizării spontane a unui material, care este exact opusă direcției unui câmp magnetic aplicat extern.Dar originea fundamentală a diamagnetismului în supraconductori și materiale normale este foarte diferită.

În materialele obișnuite, diamagnetismul apare ca rezultat direct al rotației orbitale induse electromagnetic a electronilor în jurul nucleelor ​​atomice atunci când se aplică un câmp magnetic extern. În supraconductori, iluzia diamagnetismului perfect apare din cauza curenților de ecranare constante care curg împotriva câmpului aplicat (efectul Meissner însuși), nu doar din cauza spinului orbital.

Descoperirea efectului Meissner a condus în 1935 la teoria fenomenologică a supraconductivității de către Fritz și Heinz London. Această teorie explică dispariția rezistenței și efectul Meissner. Acest lucru ne-a permis să facem primele predicții teoretice despre supraconductivitate.

Totuși, această teorie explică doar observațiile experimentale, dar nu permite identificarea originii macroscopice a proprietăților supraconductoare.Acest lucru a fost realizat cu succes mai târziu, în 1957, de teoria Bardeen-Cooper-Schriefer, din care rezultă atât adâncimea de penetrare, cât și efectul Meissner. Cu toate acestea, unii fizicieni susțin că teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer nu explică efectul Meissner.

Efectul Meissner se aplică după următorul principiu. Când temperatura unui material supraconductor trece printr-o valoare critică, câmpul magnetic din jurul acestuia se modifică brusc, rezultând generarea unui impuls EMF în bobina înfășurată în jurul unui astfel de material. Și când curentul bobinei de control se schimbă, starea magnetică a materialului poate fi controlată. Acest fenomen este folosit pentru măsurarea câmpurilor magnetice ultra-slebe folosind senzori speciali.

Un criotron este un dispozitiv de comutare bazat pe efectul Meissner. Din punct de vedere structural, este format din doi supraconductori. O bobină de niobiu este înfășurată în jurul unei tije de tantal prin care curge un curent de control.

Pe măsură ce curentul de control crește, puterea câmpului magnetic crește și tantalul trece din starea supraconductivă în starea obișnuită.În acest caz, conductivitatea firului de tantal și curentul de funcționare în circuitul de control se modifică într-un mod neliniar. manieră. Pe baza criotronilor, de exemplu, sunt create supape controlate.