Ефект мейснера та його використання. Ефект мейснера та його практичне застосування

Хаотичний рух атомів провідника перешкоджає проходженню електричного струму. Опір провідника зменшується із зменшенням температури. При подальшому зниженні температури провідника спостерігається повне зменшення опір та явище надпровідності.

За деякої температури (близької 0 oK) опір провідника різко падає до нуля. Це називається надпровідністю. Однак, у надпровідниках спостерігається також інше явище – ефект Мейснера. Провідники у надпровідному стані виявляють незвичайну властивість. З обсягу надпровідника повністю витісняється магнітне поле.

Витиснення надпровідником магнітного поля.

Провідник у надпровідному стані, на відміну від ідеального провідника, поводиться як діамагнетик. Зовнішнє магнітне поле витісняється з обсягу надпровідника. Тоді, якщо помістити магніт над надпровідником, магніт зависає в повітрі.

Виникнення цього ефекту пов'язане з тим, що при внесенні надпровідника в магнітне поле у ньому виникають вихрові струми індукції, магнітне поле яких повністю компенсує зовнішнє поле (як у будь-якому діамагнетиці). Але індуковане магнітне поле саме створює вихрові струми, напрямок яких протилежно струмам індукції за напрямом і дорівнює за величиною. В результаті в обсязі надпровідника відсутні магнітне поле і струм. Об'єм надпровідника екранується тонким приповерхневим шаром - скін-шаром - на товщину якого (порядку 10-7-10-8 м) проникає магнітне поле і в якому відбувається його компенсація.

а- нормальний провідник, що має відмінний від нуля опір при будь-якій температурі (1), внесений у магнітне поле. Відповідно до закону електромагнітної індукції виникають струми, що чинять опір проникненню магнітного поля в метал (2). Однак якщо опір відмінний від нуля, вони швидко згасають. Магнітне поле пронизує зразок нормального металу та практично однорідно (3);

б- із нормального стану при температурі вище Tє два шляхи: Перший: при зниженні температури зразок переходить у надпровідний стан, потім можна накласти магнітне поле, яке виштовхується зі зразка. Другий: спочатку накласти магнітне поле, яке проникне в зразок, а потім знизити температуру, тоді під час переходу поле виштовхнеться. Вимкнення магнітного поля дає ту саму картинку;

в- Якби не було ефекту Мейснера, провідник без опору поводився б по-іншому. При переході в стан без опору в магнітному полі він зберігав би магнітне поле і утримував би його навіть при знятті зовнішнього магнітного поля. Розмагнітити такий магніт можна було б лише підвищуючи температуру. Така поведінка, однак, на досвіді не спостерігається

Німецькими фізиками та .

Фізичне пояснення

При охолодженні надпровідника, що у зовнішньому постійному магнітному полі, у момент переходу в надпровідний стан магнітне поле повністю витісняється з його обсягу. Цим надпровідник відрізняється від ідеального провідника, у якого під час падіння опору до нуля індукція магнітного поля в обсязі повинна зберігатися без зміни.

Відсутність магнітного поля в обсязі провідника дозволяє укласти з того, що в ньому існує тільки поверхневий струм. Він фізично реальний і тому займає тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує всередині надпровідника зовнішнє магнітне поле. У цьому відношенні надпровідник поводиться формально як ідеальний. Однак він не є діамагнетиком, тому що всередині нього намагніченість дорівнює нулю.

Ефект Мейснера може бути пояснений лише нескінченної провідністю. Вперше його природу пояснили брати і за допомогою. Вони показали, що у надпровіднику поле проникає на фіксовану глибину від поверхні – лондонівську глибину проникнення магнітного поля. λ (\displaystyle \lambda ). Для металів λ ∼ 10 − 2 (\displaystyle \lambda \sim 10^(-2))мкм.

Надпровідники I та II роду

Чисті речовини, які мають спостерігається явище надпровідності, нечисленні. Найчастіше надпровідність буває у сплавів. У чистих речовин має місце повний ефект Мейснера, а сплавів не відбувається повного виштовхування магнітного поля з об'єму (частковий ефект Мейснера). Речовини, які мають повний ефект Мейснера, називаються надпровідниками першого роду, а частковий — надпровідниками другого роду. Однак варто відзначити, що в низьких магнітних полях повним ефектом Мейснера мають усі типи надпровідників.

У надпровідників другого роду обсягом є кругові струми, створюють магнітне полі, яке, проте, заповнює в повному обсязі, а розподілено у ньому вигляді окремих ниток . Що ж до опору, воно дорівнює нулю, як і в надпровідниках першого роду, хоча рух вихорів під дією поточного струму створює ефективний опір у вигляді диссипативних втрат на пересування магнітного потоку всередині надпровідника, чого уникають введенням в структуру надпровідника дефектів - центрів, за які "чіпляються".

«Труна Магомета»

«Труна Магомета» — досвід, що демонструє ефект Мейснера в .

походження назви

По , з тілом висів у просторі без будь-якої підтримки, тому цей експеримент називають «труну Магомета».

Постановка досвіду

Надпровідність існує тільки при низьких температурах (в -кераміках - при температурах нижче 150), тому попередньо охолоджують речовину, наприклад, за допомогою . Далі кладуть на поверхню плоского надпровідника. Навіть у полях, яких становить 0,001, помітно зміщення магніту нагору на відстань порядку сантиметра. При збільшенні поля до критичного магніт піднімається все вище.

Пояснення

Однією з властивостей надпровідників є виштовхування із області надпровідної фази. Відштовхуючись від нерухомого надпровідника, магніт «спливає» сам і продовжує «парити» доти, доки зовнішні умови не виведуть надпровідник із надпровідної фази. В результаті цього ефекту магніт, що наближається до надпровідника, «бачить» магніт однакової полярності і такого ж розміру, що викликає левітацію.

Примітки

Література

Надпровідність металів та сплавів. - М.:, 1968. - 280 с.
Про проблеми левітації тіл у силових полях //. - 1996. - № 3. - С. 82-86.

Ефект Мейснера

Ефект Мейснера - це повне витіснення магнітного поля з обсягу провідника при його переході до надпровідного стану. При охолодженні надпровідника, що у зовнішньому постійному магнітному полі, у момент переходу в надпровідний стан магнітне поле повністю витісняється з його обсягу. Цим надпровідник відрізняється від ідеального провідника, у якого під час падіння опору до нуля індукція магнітного поля в обсязі повинна зберігатися без зміни.

Відсутність магнітного поля обсягом провідника дозволяє укласти із загальних законів магнітного поля, що у ньому існує лише поверхневий струм. Він фізично реальний і тому займає тонкий шар поблизу поверхні. Магнітне поле струму знищує всередині надпровідника зовнішнє магнітне поле. У цьому відношенні надпровідник поводиться формально як ідеальний діамагнетик. Однак він не є діамагнетиком, тому що всередині нього намагніченість дорівнює нулю.

Теорія надпровідності

При вкрай низьких температурах цілий ряд речовин має опір принаймні в 10-12 разів менше, ніж за кімнатної температури. Експерименти показують, що якщо створити струм у замкнутому контурі з надпровідників, цей струм продовжує циркулювати і без джерела ЕРС. Струми Фуко в надпровідниках зберігаються дуже довгий час і не згасають через відсутність джоулева тепла (струми до 300А продовжують текти багато годин поспіль). Вивчення проходження струму через ряд різних провідників показало, що опір контактів між надпровідниками також дорівнює нулю. Відмінною властивістю надпровідності є відсутність явища Холла. У той час, як у звичайних провідниках під впливом магнітного поля струм у металі зміщується, у надпровідниках це явище відсутнє. Струм у надпровіднику ніби закріплений на своєму місці. Надпровідність зникає під дією наступних факторів:

1) підвищення температури;
2) дію досить сильного магнітного поля;
3) досить велика щільність струму у зразку;

З підвищенням температури майже раптово з'являється помітний омічний опір. Перехід від надпровідності до провідності тим крутіший і помітніший, ніж однорідніший зразок (найбільш крутий перехід спостерігається в монокристалах). Перехід від надпровідного стану в нормальний можна здійснити шляхом підвищення магнітного поля за температури нижче критичної.