Efekt przemieszczenia pola. Lewitacja kwantowa (efekt Meissnera): wyjaśnienie naukowe. Zobacz, co oznacza „Efekt Meissnera” w innych słownikach

Chaotyczny ruch atomów przewodnika uniemożliwia przejście prąd elektryczny. Opór przewodnika maleje wraz ze spadkiem temperatury. Wraz z dalszym spadkiem temperatury przewodnika obserwuje się całkowity spadek rezystancji i zjawisko nadprzewodnictwa.

W pewnej temperaturze (bliskiej 0 oK) rezystancja przewodnika gwałtownie spada do zera. Zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwem. Jednak w nadprzewodnikach obserwuje się także inne zjawisko - efekt Meissnera. Wystawa przewodników w stanie nadprzewodzącym niezwykła nieruchomość. Pole magnetyczne jest całkowicie wyparte z objętości nadprzewodnika.

Przemieszczenie pola magnetycznego przez nadprzewodnik.

Przewodnik w stanie nadprzewodzącym, w przeciwieństwie do przewodnika idealnego, zachowuje się jak materiał diamagnetyczny. Zewnętrzne pole magnetyczne jest wypierane z objętości nadprzewodnika. Następnie, jeśli umieścisz magnes nad nadprzewodnikiem, magnes wisi w powietrzu.

Wystąpienie tego efektu wynika z faktu, że po wprowadzeniu nadprzewodnika do pola magnetycznego powstają w nim wirowe prądy indukcyjne, których pole magnetyczne całkowicie kompensuje pole zewnętrzne (jak w każdym materiale diamagnetycznym). Ale samo indukowane pole magnetyczne wytwarza również prądy wirowe, których kierunek jest przeciwny do kierunku prądów indukcyjnych i ma równą wielkość. W rezultacie w objętości nadprzewodnika nie ma pola magnetycznego ani prądu. Objętość nadprzewodnika osłonięta jest cienką warstwą przypowierzchniową – warstwą naskórkową – w grubość (około 10-7-10-8 m) wnika pole magnetyczne i w której następuje jego kompensacja.

A- w pole magnetyczne wprowadza się normalny przewodnik o niezerowej rezystancji w dowolnej temperaturze (1). Zgodnie z prawem Indukcja elektromagnetyczna powstają prądy, które są odporne na przenikanie pola magnetycznego do metalu (2). Jeśli jednak rezystancja jest różna od zera, szybko zanikają. Pole magnetyczne przenika próbkę normalnego metalu i jest prawie jednolite (3);

B- ze stanu normalnego w temperaturze powyżej T c są dwa sposoby: Pierwszy: gdy temperatura spada, próbka przechodzi w stan nadprzewodzący, wówczas można przyłożyć pole magnetyczne, które jest wypychane z próbki. Po drugie: najpierw przyłóż pole magnetyczne, które wnika w próbkę, a następnie obniż temperaturę, wtedy pole zostanie wypchnięte podczas przejścia. Wyłączenie pola magnetycznego daje ten sam obraz;

V- gdyby nie było efektu Meissnera, przewodnik bez oporu zachowywałby się inaczej. Przechodząc do stanu bez oporu w polu magnetycznym, utrzymywałby pole magnetyczne i utrzymywałby je nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego. Rozmagnesowanie takiego magnesu byłoby możliwe jedynie poprzez podniesienie temperatury. Jednak takiego zachowania nie zaobserwowano eksperymentalnie.

Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwowali w 1933 roku niemieccy fizycy Meissner i Ochsenfeld. Efekt Meissnera opiera się na zjawisku całkowitego przemieszczenia pola magnetycznego z materiału podczas przejścia w stan nadprzewodzący. Wyjaśnienie efektu jest ściśle powiązane z wartość zerowa opór elektryczny nadprzewodniki. Przenikanie pola magnetycznego do zwykłego przewodnika wiąże się ze zmianą strumień magnetyczny, co z kolei wytwarza indukowany emf i indukowane prądy, które zapobiegają zmianie strumienia magnetycznego.

Pole magnetyczne wnika w nadprzewodnik na głębokość, wypierając pole magnetyczne z nadprzewodnika określone przez stałą zwaną stałą londyńską:

. (3.54)

Ryż. 3.17 Schemat efektu Meissnera.

Rysunek przedstawia linie pola magnetycznego i ich przemieszczenie z nadprzewodnika znajdującego się w temperaturze poniżej temperatury krytycznej.

Gdy temperatura przekroczy wartość krytyczną, pole magnetyczne w nadprzewodniku zmienia się gwałtownie, co prowadzi do pojawienia się impulsu pola elektromagnetycznego w cewce indukcyjnej.

Ryż. 3.18 Czujnik realizujący efekt Meissnera.

Zjawisko to służy do pomiaru ultrasłabych pól magnetycznych do wytworzenia kriotrony(przełączanie urządzeń).

Ryż. 3.19 Projekt i oznaczenie kriotronu.

Strukturalnie kriotron składa się z dwóch nadprzewodników. Wokół przewodnika tantalowego nawinięta jest cewka niobowa, przez którą przepływa prąd sterujący. Wraz ze wzrostem prądu sterującego wzrasta natężenie pola magnetycznego i tantal przechodzi ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego. W tym przypadku przewodność przewodnika tantalu zmienia się gwałtownie, a prąd roboczy w obwodzie praktycznie zanika. Na przykład zawory sterowane powstają w oparciu o kriotrony.

Wyjaśnienie fizyczne

Kiedy nadprzewodnik znajdujący się w zewnętrznym stałym polu magnetycznym zostanie ochłodzony, w momencie przejścia w stan nadprzewodzący pole magnetyczne zostanie całkowicie wyparte ze swojej objętości. To odróżnia nadprzewodnik od przewodnika idealnego, w którym gdy rezystancja spada do zera, indukcja pola magnetycznego w objętości musi pozostać niezmieniona.

Brak pola magnetycznego w objętości przewodnika pozwala z ogólnych praw pola magnetycznego wywnioskować, że istnieje w nim tylko prąd powierzchniowy. Jest fizycznie realny i dlatego zajmuje cienką warstwę w pobliżu powierzchni. Pole magnetyczne prądu niszczy zewnętrzne pole magnetyczne wewnątrz nadprzewodnika. Pod tym względem nadprzewodnik formalnie zachowuje się jak idealny diamagnetyk. Nie jest on jednak diamagnetyczny, ponieważ namagnesowanie w nim wynosi zero.

Efektu Meissnera nie można wytłumaczyć samą nieskończoną przewodnością. Po raz pierwszy jego naturę wyjaśnili bracia Fritz i Heinz London za pomocą równania londyńskiego. Pokazali, że w nadprzewodniku pole wnika z powierzchni na ustaloną głębokość – głębokość penetracji pola magnetycznego w Londynie. Do metali mikronowych.

Nadprzewodniki typu I i II

Czyste substancje, w których obserwuje się zjawisko nadprzewodnictwa, są nieliczne. Najczęściej nadprzewodnictwo występuje w stopach. W substancjach czystych występuje pełny efekt Meissnera, natomiast w stopach pole magnetyczne nie jest całkowicie wydalane z objętości (częściowy efekt Meissnera). Substancje wykazujące pełny efekt Meissnera nazywane są nadprzewodnikami pierwszego rodzaju, a częściowe - nadprzewodnikami drugiego rodzaju.

Nadprzewodniki drugiego typu mają w swojej objętości prądy kołowe, które wytwarzają pole magnetyczne, które jednak nie wypełnia całej objętości, ale jest w niej rozprowadzane w postaci pojedynczych włókien. Jeśli chodzi o rezystancję, wynosi ona zero, jak w nadprzewodnikach typu I.

„Trumna Mahometa”

„Trumna Mahometa” to eksperyment demonstrujący ten efekt w nadprzewodnikach.

pochodzenie imienia

Fundacja Wikimedia. 2010.

Zobacz, co oznacza „Efekt Meissnera” w innych słownikach:

Efekt Meissnera- Meisnerio reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Efekt Meissnera vok. Efekt Meißnera, m; Efekt Meißnera Ochsenfelda, m rus. Efekt Meissnera, m. pranc. effet Meissner, m … Fizikos terminų žodynas

Efekt Meissnera-Ochsenfelda- Zjawisko zanikania indukcji magnetycznej w głębinach masywnego nadprzewodnika... Politechniczny słownik terminologiczny objaśniający

Przemieszczenie pola magnetycznego z metalowego przewodnika podczas jego przejścia w stan nadprzewodzący; odkryta w 1933 roku przez niemieckich fizyków W. Meißnera i R. Ochsenfelda. * * * EFEKT MEISSNERA EFEKT MEISNERA, represja... ... słownik encyklopedyczny

Schemat efektu Meissnera. Pokazano linie pola magnetycznego i ich przemieszczenie od nadprzewodnika poniżej jego temperatury krytycznej. Efekt Meissnera to całkowite przemieszczenie pola magnetycznego z materiału podczas przejścia w stan nadprzewodzący.... ... Wikipedia

Całkowite przemieszczenie magnesów. pola metalowe przewodnik, gdy ten stanie się nadprzewodnikiem (ze spadkiem temperatury i natężenia pola magnetycznego poniżej wartości krytycznej Hk). Ja. po raz pierwszy zaobserwowano w stanie niemym. fizycy W. Meissner i R.… … Encyklopedia fizyczna

EFEKT MEISSNERA, przemieszczenie pola magnetycznego substancji podczas jej przejścia w stan nadprzewodnictwa (patrz Nadprzewodnictwo). Odkryta przez niemieckich fizyków W. Meissnera i R. Ochsenfelda w 1933 roku... Nowoczesna encyklopedia

Przemieszczenie pola magnetycznego substancji podczas jej przejścia w stan nadprzewodzący; odkryta w 1933 roku przez niemieckich fizyków W. Meissnera i R. Ochsenfelda... Wielki słownik encyklopedyczny

Efekt Meissnera- EFEKT MEISSNERA, przemieszczenie pola magnetycznego substancji podczas jej przejścia w stan nadprzewodnictwa (patrz Nadprzewodnictwo). Odkryta przez niemieckich fizyków W. Meissnera i R. Ochsenfelda w 1933 roku. ... Ilustrowany słownik encyklopedyczny

Całkowite wyparcie pola magnetycznego z metalowego przewodnika, gdy ten staje się nadprzewodnikiem (przy przyłożonym natężeniu pola magnetycznego poniżej wartości krytycznej Hk). Ja. po raz pierwszy zaobserwowany w 1933 roku przez niemieckich fizyków... ... Wielka encyklopedia radziecka

Książki

• Moje artykuły naukowe. Książka 2. Metoda macierzy gęstości w kwantowych teoriach nadciekłości i nadprzewodnika, Bondarev Boris Władimirowicz. W tej książce znajdują się artykuły, w których, wykorzystując metodę macierzy gęstości, nowość teorie kwantowe nadciekłość i nadprzewodnictwo. W pierwszym artykule rozwinięta została teoria nadciekłości, w...

W 1933 roku niemiecki fizyk Walter Fritz Meissner wraz ze swoim kolegą Robertem Ochsenfeldem odkryli efekt, który później nazwano jego imieniem. Efekt Meissnera polega na tym, że po przejściu w stan nadprzewodzący obserwuje się całkowite wyparcie pola magnetycznego z objętości przewodnika. Można to wyraźnie zaobserwować za pomocą eksperymentu, któremu nadano nazwę „Trumna Mahometa” (według legendy trumna muzułmańskiego proroka Mahometa wisiała w powietrzu bez fizycznego wsparcia). W tym artykule porozmawiamy o efekcie Meissnera oraz jego przyszłych i obecnych zastosowaniach praktycznych.

W 1911 roku stworzył Heike Kamerlingh Onnes ważne odkrycie– nadprzewodnictwo. Udowodnił, że niektóre substancje schładzane do temperatury 20 K nie stawiają oporu prądowi elektrycznemu. Niska temperatura„uspokaja” przypadkowe wibracje atomów, a prąd nie napotyka oporu.

Po tym odkryciu prawdziwa rasa zaczęła znajdować substancje, które nie wytrzymałyby bez ochłodzenia, na przykład w normalnych warunkach temperatura pokojowa. Taki nadprzewodnik będzie w stanie przesyłać prąd na gigantyczne odległości. Faktem jest, że zwykłe linie energetyczne tracą znaczną ilość prądu elektrycznego właśnie z powodu oporu. W międzyczasie fizycy prowadzą eksperymenty z wykorzystaniem chłodzenia nadprzewodnikowego. Jednym z najpopularniejszych doświadczeń jest demonstracja efektu Meissnera. W Internecie można znaleźć wiele filmów pokazujących ten efekt. Opublikowaliśmy taki, który najlepiej to pokazuje.

Aby zademonstrować eksperyment lewitowania magnesu nad nadprzewodnikiem, trzeba wziąć wysokotemperaturową ceramikę nadprzewodzącą i magnes. Ceramikę chłodzi się azotem do stanu nadprzewodnictwa. Podłącza się do niego prąd, a na górze umieszcza się magnes. W polu o natężeniu 0,001 Tesli magnes porusza się w górę i lewituje nad nadprzewodnikiem.

Efekt tłumaczy się faktem, że gdy substancja przechodzi w nadprzewodnictwo, pole magnetyczne jest wypychane z jej objętości.

Jak zastosować efekt Meissnera w praktyce? Zapewne każdy czytelnik tej strony widział wiele filmów science fiction, w których samochody unoszą się nad drogą. Jeśli uda nam się wynaleźć substancję, która w temperaturze powiedzmy nie niższej niż +30 zamieni się w nadprzewodnik, to nie będzie to już science fiction.

Ale co z pociągami dużych prędkości, które również unoszą się nad linią kolejową. Tak, już istnieją. Jednak w przeciwieństwie do efektu Meissnera obowiązują tam inne prawa fizyki: odpychanie jednobiegunowych stron magnesów. Niestety wysoki koszt magnesów nie pozwala na szerokie zastosowanie tej technologii. Wraz z wynalezieniem nadprzewodnika, który nie wymaga chłodzenia, latające samochody staną się rzeczywistością.

W międzyczasie magowie przyjęli efekt Meissnera. Wygrzebaliśmy dla Was w Internecie jeden z takich programów. Zespół „Exos” pokazuje swoje sztuczki. Żadna magia – tylko fizyka.

Jeszcze ważniejszą od zerowej rezystancji elektrycznej właściwością nadprzewodnika jest tzw. efekt Meissnera, który polega na wypieraniu stałego pola magnetycznego z nadprzewodnika. Z tej eksperymentalnej obserwacji wynika, że ​​wewnątrz nadprzewodnika występują trwałe prądy, które wytwarzają wewnętrzne pole magnetyczne przeciwne do zewnętrznego przyłożonego pola magnetycznego i kompensują je.

Wystarczająco silne pole magnetyczne w danej temperaturze niszczy stan nadprzewodzący substancji. Pole magnetyczne o natężeniu Hc, które w danej temperaturze powoduje przejście substancji ze stanu nadprzewodzącego do stanu normalnego, nazywa się polem krytycznym. Wraz ze spadkiem temperatury nadprzewodnika wzrasta wartość Hc. Zależność pola krytycznego od temperatury opisuje się z dużą dokładnością wyrażeniem

gdzie jest pole krytyczne w temperaturze zerowej. Nadprzewodnictwo zanika również, gdy przez nadprzewodnik przepływa prąd elektryczny o gęstości większej od krytycznej, ponieważ wytwarza on pole magnetyczne większe od krytycznego.

Zniszczenie stanu nadprzewodzącego pod wpływem pola magnetycznego różni się w przypadku nadprzewodników typu I i typu II. Dla nadprzewodników typu II występują 2 wartości pola krytycznego: H c1, przy której pole magnetyczne wnika w nadprzewodnik w postaci wirów Abrikosowa oraz H c2, przy którym nadprzewodnictwo zanika.

Efekt izotopowy

Efekt izotopowy w nadprzewodnikach polega na tym, że temperatury Tc są odwrotnie proporcjonalne pierwiastki kwadratowe z mas atomowych izotopów tego samego pierwiastka nadprzewodzącego. W rezultacie preparaty monoizotopowe różnią się nieco temperaturami krytycznymi od naturalnej mieszaniny i od siebie nawzajem.

Londyńska chwila

Obracający się nadprzewodnik generuje pole magnetyczne precyzyjnie ustawione w osi obrotu, powstały moment magnetyczny nazywany jest „momentem londyńskim”. Wykorzystano go w szczególności w satelicie naukowym „Gravity Probe B”, gdzie dokonywano pomiarów pola magnetyczne cztery nadprzewodzące żyroskopy do określania ich osi obrotu. Ponieważ wirniki żyroskopów były niemal idealnie gładkimi kulami, wykorzystanie momentu londyńskiego było jednym z niewielu sposobów określenia ich osi obrotu.

Zastosowania nadprzewodnictwa

Poczyniono znaczne postępy w otrzymywaniu nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Na bazie ceramiki metalicznej np. o składzie YBa 2 Cu 3 O x otrzymano substancje, dla których temperatura Tc przejścia w stan nadprzewodzący przekracza 77 K (temperatura skraplania azotu). Niestety, prawie wszystkie nadprzewodniki wysokotemperaturowe nie są zaawansowane technologicznie (kruche, nie mają stabilnych właściwości itp.), przez co w technologii nadal stosowane są głównie nadprzewodniki na bazie stopów niobu.

Zjawisko nadprzewodnictwa wykorzystuje się do wytwarzania silnych pól magnetycznych (na przykład w cyklotronach), ponieważ nie ma strat cieplnych, gdy przez nadprzewodnik przepływają silne prądy, tworząc silne pola magnetyczne. Jednakże ze względu na to, że pole magnetyczne niszczy stan nadprzewodnictwa, do uzyskania silnych pól magnetycznych wykorzystuje się tzw. pola magnetyczne. Nadprzewodniki typu II, w których możliwe jest współistnienie nadprzewodnictwa i pola magnetycznego. W takich nadprzewodnikach pole magnetyczne powoduje pojawianie się w próbce cienkich nitek normalnego metalu, z których każda niesie kwant strumienia magnetycznego (wiry Abrikosowa). Substancja pomiędzy nitkami pozostaje nadprzewodząca. Ponieważ w nadprzewodniku typu II nie ma pełnego efektu Meissnera, nadprzewodnictwo istnieje aż do znacznie wyższych wartości pola magnetycznego Hc 2. W technologii stosowane są głównie następujące nadprzewodniki:

Na nadprzewodnikach znajdują się detektory fotonów. Niektórzy wykorzystują obecność prądu krytycznego, wykorzystują także efekt Josephsona, odbicie Andreeva itp. Istnieją zatem nadprzewodzące detektory pojedynczych fotonów (SSPD) do rejestracji pojedynczych fotonów w zakresie IR, które mają szereg zalet w stosunku do detektorów o podobnym zasięgu (PMT itp.) przy użyciu innych metod wykrywania.

Charakterystyka porównawcza najpopularniejszych detektorów IR, bazująca nie na właściwościach nadprzewodnictwa (pierwsze cztery), ale także na detektorach nadprzewodzących (trzy ostatnie):

Wiry w nadprzewodnikach typu II można wykorzystać jako komórki pamięci. Niektóre solitony magnetyczne znalazły już podobne zastosowania. Istnieją również bardziej złożone dwu- i trójwymiarowe solitony magnetyczne, przypominające wiry w cieczach, jedynie rolę linii prądu pełnią w nich linie, wzdłuż których ułożone są elementarne magnesy (domeny).

Brak strat cieplnych podczas przepływu prądu stałego przez nadprzewodnik sprawia, że ​​zastosowanie kabli nadprzewodzących jest atrakcyjne do przesyłu energii elektrycznej, ponieważ jeden cienki kabel podziemny jest w stanie przesłać moc, która w przypadku tradycyjnej metody wymaga utworzenia obwodu linii elektroenergetycznej składającej się z kilku kabli o znacznie większej grubości . Problemem uniemożliwiającym powszechne zastosowanie są koszty kabli i ich utrzymania – ciekły azot musi być stale pompowany liniami nadprzewodzącymi. Pierwszą komercyjną nadprzewodzącą linię energetyczną uruchomiła firma American Superconductor na Long Island w stanie Nowy Jork pod koniec czerwca 2008 roku. Systemy energetyczne Korea Południowa Do 2015 roku zamierzają wybudować nadprzewodzące linie elektroenergetyczne o łącznej długości 3000 km.

Ważnym zastosowaniem są miniaturowe nadprzewodzące urządzenia pierścieniowe – SQUIDS, których działanie opiera się na powiązaniu zmian strumienia magnetycznego z napięciem. Wchodzą w skład ultraczułych magnetometrów mierzących pole magnetyczne Ziemi, a także wykorzystywane są w medycynie do uzyskiwania magnetogramów różnych narządów.

Nadprzewodniki są również stosowane w maglevach.

Zjawisko zależności temperatury przejścia w stan nadprzewodzący od wielkości pola magnetycznego wykorzystuje się w kriotronach o kontrolowanej rezystancji.