efekt Meissnera - Meissner effect

Schemat efektu Meissnera. Linie pola magnetycznego, reprezentowane jako strzałki, są wyłączone z nadprzewodnika, gdy jest on poniżej swojej temperatury krytycznej.

Efekt Meissnera (lub efekt Meissnera-Ochsenfelda ) polega na wypychaniu pola magnetycznego z nadprzewodnika podczas jego przejścia do stanu nadprzewodzącego, gdy jest on schładzany poniżej temperatury krytycznej. To wydalenie odepchnie pobliski magnes.

Niemieccy fizycy Walther Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli to zjawisko w 1933 roku, mierząc rozkład pola magnetycznego na zewnątrz nadprzewodzących próbek cyny i ołowiu. Próbki, w obecności przyłożonego pola magnetycznego, schładzano poniżej ich temperatury przejścia w nadprzewodnictwo , po czym próbki znosiły prawie wszystkie wewnętrzne pola magnetyczne. Wykryli ten efekt tylko pośrednio, ponieważ strumień magnetyczny jest utrzymywany przez nadprzewodnik: gdy pole wewnętrzne maleje, pole zewnętrzne wzrasta. Eksperyment zademonstrował po raz pierwszy, że nadprzewodniki są czymś więcej niż tylko doskonałymi przewodnikami i zapewniły unikalną właściwość stanu nadprzewodnika. Zdolność do efektu wydalenia zależy od natury równowagi utworzonej przez neutralizację w komórce elementarnej nadprzewodnika.

Mówi się, że nadprzewodnik z niewielkim polem magnetycznym lub bez niego znajduje się w stanie Meissnera. Stan Meissnera załamuje się, gdy przyłożone pole magnetyczne jest zbyt silne. Nadprzewodniki można podzielić na dwie klasy w zależności od tego, jak zachodzi ten podział.

W nadprzewodników typu I , nadprzewodnictwa jest gwałtownie zniszczone, gdy natężenie pola przyłożonego wzrasta powyżej wartości krytycznej H C . W zależności od geometrii próbki można uzyskać stan pośredni składający się z barokowego wzoru obszarów normalnego materiału niosącego pole magnetyczne zmieszanego z obszarami materiału nadprzewodzącego nie zawierającego pola.

W nadprzewodnikach typu II podniesienie przyłożonego pola powyżej wartości krytycznej H c 1 prowadzi do stanu mieszanego (znanego również jako stan wirowy), w którym coraz większa ilość strumienia magnetycznego wnika w materiał, ale nie ma oporu elektrycznego prąd, o ile prąd nie jest zbyt duży. Na drugim krytycznego natężenia pola H c 2 , nadprzewodnictwa jest zniszczona. Stan mieszany jest powodowany przez wiry w nadcieczy elektronowej, czasami nazywane fluxonami, ponieważ strumień przenoszony przez te wiry jest skwantowany . Większość czystych nadprzewodników elementarnych , z wyjątkiem nanorurek niobu i węgla , należy do typu I, podczas gdy prawie wszystkie nadprzewodniki zanieczyszczone i złożone należą do typu II.

Wyjaśnienie

Efekt Meissnera został wyjaśniony fenomenologicznie przez braci Fritz i Heinz London , którzy wykazali, że swobodna energia elektromagnetyczna w nadprzewodniku jest zminimalizowana pod warunkiem, że

gdzie H to pole magnetyczne, a λ to głębokość penetracji Londynu .

To równanie, znane jako równanie Londona , przewiduje, że pole magnetyczne w nadprzewodniku zanika wykładniczo od dowolnej wartości, jaką posiada na powierzchni. To wykluczenie pola magnetycznego jest przejawem superdiamagnetyzmu powstałego podczas przejścia fazowego z przewodnika do nadprzewodnika, na przykład poprzez obniżenie temperatury poniżej temperatury krytycznej.

W słabym przyłożonym polu (mniej niż pole krytyczne, które przerywa fazę nadprzewodnictwa), nadprzewodnik wyrzuca prawie cały strumień magnetyczny , tworząc prądy elektryczne w pobliżu jego powierzchni, ponieważ pole magnetyczne H indukuje namagnesowanie M na głębokości penetracji Londynu od powierzchnia. Te prądy powierzchniowe osłaniają wewnętrzną masę nadprzewodnika przed zewnętrznym przyłożonym polem. Ponieważ wydalanie lub anulowanie pola nie zmienia się w czasie, prądy wywołujące ten efekt (nazywane prądami trwałymi lub prądami ekranowania) nie zanikają z czasem.

W pobliżu powierzchni, w obrębie głębokości penetracji Londynu , pole magnetyczne nie jest całkowicie zniesione. Każdy materiał nadprzewodzący ma swoją charakterystyczną głębokość penetracji.

Każdy doskonały przewodnik zapobiegnie zmianie strumienia magnetycznego przechodzącego przez jego powierzchnię z powodu zwykłej indukcji elektromagnetycznej przy zerowej rezystancji. Jednak efekt Meissnera różni się od tego: kiedy zwykły przewodnik jest chłodzony tak, że przechodzi w stan nadprzewodnictwa w obecności stałego przyłożonego pola magnetycznego, strumień magnetyczny jest wyrzucany podczas przejścia. Efektu tego nie można wytłumaczyć nieskończoną przewodnością, a jedynie równaniem Londona. Umieszczenie, a następnie lewitacja magnesu nad już nadprzewodzącym materiałem nie wykazują efektu Meissnera, podczas gdy początkowo nieruchomy magnes jest później odpychany przez nadprzewodnik, gdy jest schładzany poniżej swojej temperatury krytycznej .

Utrzymujące się prądy, które istnieją w nadprzewodniku, aby wyrzucić pole magnetyczne, są powszechnie błędnie rozumiane jako wynik prawa Lenza lub prawa Faradaya. Powodem, dla którego tak nie jest, jest to, że nie dokonano żadnej zmiany strumienia w celu indukowania prądu. Innym wyjaśnieniem jest to, że ponieważ nadprzewodnik doświadcza zerowej rezystancji, w nadprzewodniku nie może być indukowanego emf. Utrzymujący się prąd nie wynika zatem z Prawa Faradaya.

Idealny diamagnetyzm

Nadprzewodniki w stanie Meissnera wykazują doskonały diamagnetyzm lub superdiamagnetyzm , co oznacza, że ​​całkowite pole magnetyczne w ich wnętrzu jest bardzo bliskie zeru (wiele głębokości penetracji z powierzchni). Oznacza to, że ich objętościowa podatność magnetyczna wynosi -1. Diamagnetyki są definiowane przez generowanie spontanicznego namagnesowania materiału, który bezpośrednio przeciwstawia się kierunkowi przyłożonego pola. Jednak podstawowe źródła diamagnetyzmu w nadprzewodnikach i normalnych materiałach są bardzo różne. W normalnych materiałach diamagnetyzm powstaje jako bezpośredni wynik orbitalnego spinu elektronów wokół jądra atomu indukowanego elektromagnetycznie przez przyłożenie przyłożonego pola. W nadprzewodnikach złudzenie doskonałego diamagnetyzmu powstaje w wyniku utrzymujących się prądów ekranujących, które płyną przeciwnie do przyłożonego pola (efekt Meissnera); nie tylko spin orbitalny.

Konsekwencje

Odkrycie efektu Meissnera doprowadziło do powstania fenomenologicznej teorii nadprzewodnictwa Fritza i Heinza Londona w 1935 roku. Teoria ta wyjaśniała transport bezoporowy i efekt Meissnera i pozwoliła na sformułowanie pierwszych teoretycznych przewidywań dotyczących nadprzewodnictwa. Jednak ta teoria wyjaśniała jedynie obserwacje eksperymentalne – nie pozwalała na zidentyfikowanie mikroskopowych źródeł właściwości nadprzewodzących. Udało się to z powodzeniem osiągnąć dzięki teorii BCS w 1957 roku, z której wynika głębokość penetracji i efekt Meissnera. Jednak niektórzy fizycy twierdzą, że teoria BCS nie wyjaśnia efektu Meissnera.

  • Pomiędzy biegunami elektromagnesu umieszczono blaszany cylinder – w naczyniu Dewara wypełnionym ciekłym helem. Pole magnetyczne wynosi około 8 militesli (80 G ).

  • T = 4,2 K, B = 8 mT (80 G). Cyna jest w stanie normalnie przewodzącym. Igły kompasu wskazują, że w cylindrze przenika strumień magnetyczny.

  • Cylinder został schłodzony z 4,2 K do 1,6 K. Prąd w elektromagnesie był utrzymywany na stałym poziomie, ale cyna stała się nadprzewodnikiem przy około 3 K. Strumień magnetyczny został wyrzucony z cylindra (efekt Meissnera).

Paradygmat mechanizmu Higgsa

Meissner efekt nadprzewodnictwo służy jako ważny paradygmatu mechanizmu wytwarzania masowego M (to znaczy wzajemną zakresie , gdzie h jest stałą Plancka , a c jest prędkością światła ) dla zakresu pomiarowego . W rzeczywistości ta analogia jest abelowym przykładem mechanizmu Higgsa , który generuje masy elektrosłabego
W±
 oraz
Z
cząstki wzorcowe w fizyce wysokich energii . Długość jest identyczna z głębokością penetracji Londynu w teorii nadprzewodnictwa .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Einstein, A. (1922). „Uwaga teoretyczna na temat nadprzewodnictwa metali”. arXiv : fizyka/0510251 .
  • Londyn, FW (1960). „Makroskopowa teoria nadprzewodnictwa”. Nadcieki . Struktura szeregu materii. 1 (Poprawione wyd. 2). Dover . Numer ISBN 978-0-486-60044-4.Przez człowieka, który wyjaśnił efekt Meissnera. s. 34–37 zawiera techniczne omówienie efektu Meissnera dla sfery nadprzewodzącej.
  • Saslow, WM (2002). Elektryczność, magnetyzm i światło . Akademicki. Numer ISBN 978-0-12-619455-5. s. 486-489 podaje proste matematyczne omówienie prądów powierzchniowych odpowiedzialnych za efekt Meissnera w przypadku długiego magnesu lewitującego nad płaszczyzną nadprzewodzącą.
  • Tinkham, M. (2004). Wprowadzenie do nadprzewodnictwa . Dover Books on Physics (wyd. 2). Dover. Numer ISBN 978-0-486-43503-9. Dobre referencje techniczne.

Zewnętrzne linki