Meisnera efekts un tā izmantošana

Meisnera efekts vai Meisnera-Oksenfelda efekts sastāv no magnētiskā lauka pārvietošanas no supravadītāja lielākās daļas tā pārejas laikā uz supravadītāja stāvokli. Šo parādību 1933. gadā atklāja vācu fiziķi Valters Meisners un Roberts Oksenfelds, kuri mērīja magnētiskā lauka sadalījumu ārpus supravadošiem alvas un svina paraugiem.

Valters Meisners

Eksperimentā supravadītāji pielietotā magnētiskā lauka klātbūtnē tika atdzesēti zem to supravadītāja pārejas temperatūras, līdz tika atiestatīts gandrīz viss paraugu iekšējais magnētiskais lauks. Efektu zinātnieki konstatēja tikai netieši, jo tiek saglabāta supravadītāja magnētiskā plūsma: samazinoties magnētiskajam laukam parauga iekšpusē, palielinās ārējais magnētiskais lauks.

Tādējādi eksperiments pirmo reizi skaidri parādīja, ka supravadītāji ir ne tikai ideāli vadītāji, bet arī demonstrē unikālu supravadītāja stāvokļa īpašību.Magnētiskā lauka novirzīšanas spēju nosaka līdzsvara raksturs, ko veido neitralizācija supravadītāja vienības šūnā.

Tiek uzskatīts, ka supravadītājs ar nelielu magnētisko lauku vai bez tā atrodas Meisnera stāvoklī. Bet Meisnera stāvoklis sabojājas, ja pielietotais magnētiskais lauks ir pārāk spēcīgs.

Šeit ir vērts atzīmēt, ka supravadītājus var iedalīt divās klasēs atkarībā no tā, kā šis pārkāpums notiek.Pirmā tipa supravadītājos supravadītspēja tiek pēkšņi pārkāpta, kad pielietotā magnētiskā lauka stiprums kļūst lielāks par kritisko vērtību Hc .

Atkarībā no parauga ģeometrijas var iegūt starpstāvokli, kas ir līdzīgs parasta materiāla apgabalu izsmalcinātajam modelim, kas satur magnētisko lauku, kas sajaukts ar supravadoša materiāla apgabaliem, kur nav magnētiskā lauka.

II tipa supravadītājos pielietotā magnētiskā lauka intensitātes palielināšana līdz pirmajai kritiskajai vērtībai Hc1 noved pie jaukta stāvokļa (pazīstams arī kā virpuļstāvoklis), kurā materiālā iekļūst arvien vairāk magnētiskās plūsmas, bet nav pretestības pret elektrisko strāvu. ja vien šī strāva nav pārāk liela.

Pie otrās kritiskās stiprības Hc2 supravadīšanas stāvoklis tiek iznīcināts. Jaukto stāvokli izraisa virpuļi superfluidā elektronu šķidrumā, ko dažreiz sauc par fluxoniem (magnētiskās plūsmas plūsmas kvantu), jo šo virpuļu nestā plūsma ir kvantēta.

Tīrākie elementu supravadītāji, izņemot niobija un oglekļa nanocaurules, ir pirmā tipa, savukārt gandrīz visi piemaisījumi un sarežģītie supravadītāji ir otrā tipa.

Fenomenoloģiski Meisnera efektu skaidroja brāļi Frics un Heincs Londonas, kuri parādīja, ka supravadītāja elektromagnētiskā brīvā enerģija tiek samazināta ar nosacījumu:

Šo nosacījumu sauc par Londonas vienādojumu. Viņš prognozēja, ka magnētiskais lauks supravadītājā samazinās eksponenciāli no jebkuras tā vērtības uz virsmas.

Ja tiek pielietots vājš magnētiskais lauks, supravadītājs izspiež gandrīz visu magnētisko plūsmu. Tas ir saistīts ar elektrisko strāvu parādīšanos tās virsmas tuvumā.Virsmas strāvu magnētiskais lauks neitralizē pielietoto magnētisko lauku supravadītāja tilpuma iekšpusē. Tā kā lauka pārvietošanās vai slāpēšana laika gaitā nemainās, tas nozīmē, ka strāvas, kas rada šo efektu (līdzstrāvas), laika gaitā nesamazinās.

Blakus parauga virsmai, Londonas dziļumā, magnētiskā lauka pilnībā nav. Katram supravadošajam materiālam ir savs magnētiskās iespiešanās dziļums.

Jebkurš ideāls vadītājs novērsīs jebkādas izmaiņas magnētiskajā plūsmā, kas iet caur tā virsmu normālas elektromagnētiskās indukcijas dēļ pie nulles pretestības. Bet Meisnera efekts atšķiras no šīs parādības.

Kad parasts vadītājs tiek atdzesēts līdz supravadītājam pastāvīgi pielietota magnētiskā lauka klātbūtnē, šīs pārejas laikā tiek izmesta magnētiskā plūsma. Šo efektu nevar izskaidrot ar bezgalīgu vadītspēju.

Magnēta novietošana un sekojoša levitācija uz jau supravadoša materiāla neizrāda Meisnera efektu, turpretim Meisnera efekts tiek parādīts, ja sākotnēji stacionāro magnētu vēlāk atgrūž supravadītājs, kas atdzesēts līdz kritiskai temperatūrai.

Meisnera stāvoklī supravadītāji uzrāda perfektu diamagnētismu vai superdiamagnētismu. Tas nozīmē, ka kopējais magnētiskais lauks ir ļoti tuvu nullei dziļi to iekšienē, lielā attālumā uz iekšu no virsmas. Magnētiskā jutība -1.

Diamagnētismu nosaka materiāla spontānas magnetizācijas ģenerēšana, kas ir tieši pretēja ārēji pielietota magnētiskā lauka virzienam, taču supravadītāju un parasto materiālu diamagnētisma pamatizcelsme ir ļoti atšķirīga.

Parastos materiālos diamagnētisms rodas tieši elektromagnētiski inducētas elektronu orbītas rotācijas rezultātā ap atomu kodoliem, kad tiek pielietots ārējs magnētiskais lauks. Supravadītājos ideāla diamagnētisma ilūzija rodas pastāvīgu ekranēšanas strāvu dēļ, kas plūst pret pielietoto lauku (pats Meisnera efekts), nevis tikai orbītas griešanās dēļ.

Meisnera efekta atklāšana 1935. gadā noveda pie Frica un Hainca Londonas fenomenoloģiskās supravadītspējas teorijas. Šī teorija izskaidro pretestības izzušanu un Meisnera efektu. Tas ļāva mums veikt pirmās teorētiskās prognozes par supravadītspēju.

Tomēr šī teorija tikai izskaidro eksperimentālos novērojumus, bet neļauj identificēt supravadošo īpašību makroskopisko izcelsmi.To vēlāk, 1957. gadā, veiksmīgi paveica Bārdīna-Kūpera-Šrīfera teorija, no kuras izriet gan iespiešanās dziļums, gan Meisnera efekts. Tomēr daži fiziķi apgalvo, ka Bārdīna-Kūpera-Šrīfera teorija neizskaidro Meisnera efektu.

Meisnera efekts tiek pielietots saskaņā ar šādu principu. Kad supravadoša materiāla temperatūra šķērso kritisko vērtību, magnētiskais lauks ap to strauji mainās, kā rezultātā spolē, kas aptīta ap šādu materiālu, rodas EML impulss. Un, mainoties vadības spoles strāvai, var kontrolēt materiāla magnētisko stāvokli. Šo parādību izmanto, lai mērītu īpaši vājus magnētiskos laukus, izmantojot īpašus sensorus.

Kriotrons ir komutācijas ierīce, kuras pamatā ir Meisnera efekts. Strukturāli tas sastāv no diviem supravadītājiem. Ap tantala stieni ir apvīta niobija spole, caur kuru plūst vadības strāva.

Palielinoties vadības strāvai, palielinās magnētiskā lauka stiprums un tantals pāriet no supravadītāja stāvokļa uz parasto stāvokli.Šajā gadījumā tantala stieples vadītspēja un darba strāva vadības ķēdē mainās nelineāri. veidā. Piemēram, uz kriotronu bāzes tiek izveidoti vadāmi vārsti.