Эффект вытеснения поля. Эффект мейснера и его практическое применение

Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом. В основе эффекта Мейснера лежит явление полного вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние. Объяснение эффекта связано со строго нулевым значением электрического сопротивления сверхпроводников. Проникновение магнитного поля в обычный проводник связано с изменением магнитного потока, которое, в свою очередь создаёт ЭДС индукции и наведённые токи, препятствующие изменению магнитного потока.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник на глубину, вытеснения магнитного поля из сверхпроводникаопределяемую постоянной , называемую лондоновской постоянной:

. (3.54)

Рис. 3.17 Схема эффекта Мейснера.

На рисунке показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося при температуре ниже критической.

При переходе температуры через критическое значение, в сверхпроводнике резко изменятся магнитное поле, что приводит к появлению импульса ЭДС в катушке индуктивности.

Рис. 3.18 Датчик, реализующий эффект Мейснера.

Данное явление используется для измерения сверхслабых магнитных полей, для создания криотронов (переключающих устройств).

Рис. 3.19 Устройство и обозначение криотрона.

Конструктивно криотрон состоит из двух сверхпроводников. Вокруг танталового проводника намотана катушка из ниобия, по которой протекает управляющий ток. При увеличении управляющего тока возрастает напряженность магнитного поля, и тантал переходит из состояния сверхпроводимости в обычное состояние. При этом резко изменяется проводимость танталового проводника, и рабочий ток в цепи практически исчезает. На основе криотронов создают, например, управляемые вентили.

Хаотичное движение атомов проводника препятствует прохождению электрического тока. Сопротивление проводника уменьшается с уменьшением температуры. При дальнейшем снижении температуры проводника наблюдается полное уменьшение сопротивление и явление сверхпроводимости.

При некоторой температуре (близкой 0 oK) сопротивление проводника резко падает до нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Однако, в сверхпроводниках наблюдается также другое явление — эффект Мейснера. Проводники в сверхпроводящем состоянии обнаруживают необычное свойство. Из объема сверхпроводника полностью вытесняется магнитное поле.

Вытеснение сверхпроводником магнитного поля.

Проводник в сверхпроводящем состоянии, в отличие от идеального проводника, ведет себя как диамагнетик. Внешнее магнитное поле вытесняется из объема сверхпроводника. Тогда если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависает в воздухе.

Возникновение этого эффекта связано с тем, что при внесении сверхпроводника в магнитное поле в нем возникают вихревые токи индукции, магнитное поле которых полностью компенсирует внешнее поле (как в любом диамагнетике). Но индуцированное магнитное поле само также создает вихревые токи, направление которых противоположно токам индукции по направлению и равно по величине. В результате в объеме сверхпроводника отсутствуют и магнитное поле и ток. Объем сверхпроводника экранируется тонким приповерхностным слоем - скин-слоем - на толщину которого (порядка 10-7-10-8 м) проникает магнитное поле и в котором происходит его компенсация.

а - нормальный проводник, обладающий отличным от нуля сопротивлением при любой температуре (1), внесен в магнитное поле. В соответствии с законом электромагнитной индукции возникают токи, которые сопротивляются проникновению магнитного поля в металл (2). Однако если сопротивление отлично от нуля, они быстро затухают. Магнитное поле пронизывает образец нормального металла и практически однородно (3);

б - из нормального состояния при температуре выше T c есть два пути: Первый: при понижении температуры образец переходит в сверхпроводящее состояние, затем можно наложить магнитное поле, которое выталкивается из образца. Второй: сначала наложить магнитное поле, которое проникнет в образец, а затем понизить температуру, тогда при переходе поле вытолкнется. Выключение магнитного поля дает ту же картинку;

в - если бы не было эффекта Мейснера, проводник без сопротивления вел бы себя по-другому. При переходе в состояние без сопротивления в магнитном поле он бы сохранял магнитное поле и удерживал бы его даже при снятии внешнего магнитного поля. Размагнитить такой магнит можно было бы, только повышая температуру. Такое поведение, однако, на опыте не наблюдается

В 1933 году немецкий физик Вальтер Фриц Мейснер совместно со своим коллегой Робертом Оксенфельдом открыл эффект, который впоследствии назвали его именем. Эффект Мейснера заключается в том, что при переходе в сверхпроводящее состояние, наблюдается полное вытеснение магнитного поля из объема проводника. Наглядно это можно наблюдать с помощью опыта, которому дали название “Гроб Магомета” (по легенде, гроб мусульманского пророка Магомета висел в воздухе без физической поддержки). В этой статье мы расскажем об Эффекте Мейснера и его будущему и настоящему практическому применению.

В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес сделал важное открытие – сверхпроводимость. Он доказал, что если охладить некоторые вещества до температуры 20 К, то они не оказывают сопротивление электрическому току. Низкая температура “успокаивает” случайные колебания атомов, и электричество не встречает сопротивление.

После этого открытия началась настоящая гонка по нахождению таких веществ, которые не будут оказывать сопротивление без охлаждения, например при обычной комнатной температуре. Такой сверхпроводник сможет передавать электричество на гигантские расстояния. Дело в том, что обычные линии электропередач теряют значительное количество электрического тока, как раз из-за сопротивления. Пока же физики ставят свои опыты с помощью охлаждения сверхпроводников. И одним из самых популярных опытов, является демонстрация Эффекта Мейснера. В сети можно встретить множество роликов, показывающих этот эффект. Мы выложили один, который лучше всего демонстрирует это.

Для демонстрации опыта левитации магнита над сверхпроводником нужно взять высокотемпературную сверхпроводящую керамику и магнит. Керамика охлаждается с помощью азота до уровня сверхпроводимости. К ней подключается ток и сверху кладется магнит. В полях 0,001 Тл магнит смещается вверх и левитирует над сверхпроводником.

Объясняется эффект тем, что при переходе вещества в сверхпроводимость, магнитное поле выталкивается из его объема.

Как можно применить эффект Мейснера на практике? Наверное, каждый читатель этого сайта видел множество фантастических фильмов, в которых автомобили парили над дорогой. Если удастся изобрести вещество, которое превратится в сверхпроводник при температуре, скажем не ниже +30, то это уже не окажется фантастикой.

А как же сверхскоростные поезда, которые тоже парят над железной дорогой. Да они существуют уже сейчас. Но в отличие от Эффекта Мейснера, там действуют другие законы физики: отталкивание однополюсных сторон магнитов. К сожалению, дороговизна магнитов не позволяет широко распространить эту технологию. С изобретение сверхпроводника, которого не нужно охлаждать, летающие машины станут реальностью.

Ну а пока Эффект Мейснера взяли на свое вооружение фокусники. Одно из таких представлений мы раскопали для вас в сети. Свои трюки показывает труппа “Эксос”. Никакой магии – только физика.

Даже более важным свойством сверхпроводника, чем нулевое электрическое сопротивление, является так называемый эффект Мейснера, заключающийся в вытеснении постоянного магнитного поля из сверхпроводника. Из этого экспериментального наблюдения делается вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его.

Достаточно сильное магнитное полепри данной температуре разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Магнитное поле с напряжённостью Н c , которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем. При уменьшении температуры сверхпроводника величина Н c возрастает. Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

где - критическое поле при нулевой температуре. Сверхпроводимость исчезает и при пропускании через сверхпроводник электрического тока сплотностью, большей, чем критическая, поскольку он создаёт магнитное поле, большее критического.

Разрушение сверхпроводящего состояния под действием магнитного поля отличается у сверхпроводников I и II рода. Для сверхпроводников II рода существует 2 значения критических поля: Н c1 при котором магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде вихрей Абрикосова и Н c2 - при котором происходит исчезновение сверхпроводимости.

Изотопический эффект

Изотопический эффект у сверхпроводников заключается в том, что температуры Т с обратно пропорциональны квадратным корням из атомных масс изотопов одного и того же сверхпроводящего элемента. Как следствие моноизотопные препараты несколько отличаются по критическим температурам от природной смеси и от друг друга .

Момент Лондона

Вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, точно выровненное с осью вращения, возникающий магнитный момент получил название «момент Лондона». Он применялся, в частности, в научном спутнике «Gravity Probe B», где измерялись магнитные поля четырёх сверхпроводящих гироскопов, чтобы определить их оси вращения. Поскольку роторами гироскопов служили практически идеально гладкие сферы, использование момента Лондона было одним из немногих способов определить их ось вращения.

Применение сверхпроводимости

Достигнуты значительные успехи в получении высокотемпературной сверхпроводимости. На базе металлокерамики, например, состава YBa 2 Cu 3 O x , получены вещества, для которых температура Т c перехода в сверхпроводящее состояние превышает 77 К (температуру сжиженияазота). К сожалению, практически все высокотемпературные сверхпроводники не технологичны (хрупки, не обладают стабильностью свойств и т. д.), вследствие чего в технике до сих пор применяются в основном сверхпроводники на основе сплавов ниобия.

Явление сверхпроводимости используется для получения сильных магнитных полей (например, в циклотронах), поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Однако в связи с тем, что магнитное поле разрушает состояние сверхпроводимости, для получения сильных магнитных полей применяются т. н. сверхпроводники II рода, в которых возможно сосуществование сверхпроводимости и магнитного поля. В таких сверхпроводниках магнитное поле вызывает появление тонких нитей нормального металла, пронизывающих образец, каждая из которых несёт квант магнитного потока (вихри Абрикосова). Вещество же между нитями остаётся сверхпроводящим. Поскольку в сверхпроводнике II рода нет полного эффекта Мейснера, сверхпроводимость существует до гораздо больших значений магнитного поля H c 2 . В технике применяются, в основном, следующие сверхпроводники:

Существуют детекторы фотоновна сверхпроводниках. В одних используется наличие критического тока, используют такжеэффект Джозефсона,андреевское отражениеи т. д. Так, существуют сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SSPD) для регистрации единичных фотонов ИК диапазона, имеющие ряд преимуществ перед детекторами аналогичного диапазона (ФЭУи др.), использующими другие способы регистрации.

Сравнительные характеристики наиболее распространенных детекторов ИК-диапазона, основанные не на свойствах сверхпроводимости (первые четыре), а также сверхпроводниковые детекторы (последние три):

Вихри в сверхпроводниках второго рода можно использовать в качестве ячеек памяти. Подобное применение уже нашли некоторые магнитные солитоны. Существуют и более сложные дву- и трёхмерные магнитные солитоны, напоминающие вихри в жидкостях, только роль линий тока в них играют линии, по которым выстраиваются элементарные магнитики (домены).

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей для доставки электричества, так как один тонкий подземный кабель способен передавать мощность, которая традиционным методом требует создания цепи линии электропередачс несколькими кабелями много большей толщины. Проблемами, препятствующими широкому использованию является стоимость кабелей и их обслуживания - через сверхпроводящие линии необходимо постоянно прокачивать жидкий азот. Первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередачи была запущена в эксплуатацию фирмой American Superconductor наЛонг-АйлендевНью-Йоркев конце июня 2008 года . Энергосистемы Южной Кореи собираются создать к 2015 году сверхпроводящие линии электропередачи общей длиной в 3000 км .

Важное применение находят миниатюрные сверхпроводящие приборы-кольца - сквиды, действие которых основано на связи изменения магнитного потока и напряжения. Они входят в состав сверхчувствительных магнитометров, измеряющихмагнитное поле Земли, а также используемых в медицине для получения магнитограмм различных органов .

Сверхпроводники также применяются в маглевах.

Явление зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние от величины магнитного поля используется в криотронах- управляемых сопротивлениях.

В 1913г. немецкие физики Мейснер и Оксенфельд решили экспериментально проверить, как именно распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. Результат оказался неожиданным. Независимо от условий проведения эксперимента магнитное поле внутрь проводника не проникало. Поразительный факт заключался в том, что сверхпроводник, охлажденный ниже критической температуры в постоянном магнитном поле, самопроизвольно выталкивает это поле из своего объема, переходя в состояние, при котором магнитная индукция В=0, т.е. состояние идеального диамагнетизма. Это явление получило название эффекта Мейснера.

Многие считают, что эффект Мейснера, является наиболее фундаментальным свойством сверхпроводников. Действительно, существование нулевого сопротивления неизбежно следует из этого эффекта. Ведь поверхностные экранизирующие токи постоянны во времени и не затухают в не измеряющемся магнитном поле. В тонком поверхностном слое сверхпроводника эти токи создают свое магнитное поле, строго равное и противоположное внешнему полю. В сверхпроводнике эти два встречных магнитных поля складываются так, что суммарное магнитное поле становится равным нулю, хотя слагаемые поля существуют совместно, поэтому и говорят об эффекте «выталкивание» внешнего магнитного поля из сверхпроводника.

Пусть в исходном состоянии идеальный проводник охлажден ниже критической температуры и внешнее магнитное поле отсутствует. Внесем теперь такой идеальный проводник во внешнее магнитное поле. Поле в образец не проникает, что схематически изображено на рис. 1. Сразу по появлении внешнего поля на поверхности идеального проводника возникает ток, создающий, по правилу Ленца, свое собственное магнитное поле, направленное навстречу приложенному, и полное поле в образце будет равно нулю.

Это можно доказать используя уравнения Максвелла. При изменении индукции В внутри образца должно возникнуть электрическое поле Е:

Где с - скорость света в вакууме. Но в идеальном проводнике R= 0, так как

E = jс ,

где с -- удельное сопротивление, которое в нашем случае равно нулю, j -- плотность наведенного тока. Отсюда следует, что B =const, но поскольку до внесения образца в поле В = 0, то ясно, что В = 0 и после внесения в поле. Это можно интерпретировать еще и так: поскольку с =0, время проникновения магнитного поля в идеальный проводник равно бесконечно.

Итак, внесенный во внешнее магнитное поле идеальный проводник имеет В = 0 в любой точке образца. Однако того же состояния (идеальный проводник при Т <Т с во внешнем магнитном поле) можно достигнуть и другим путем: сперва наложить внешнее поле на «теплый» образец, а затем охладить его до температуры Т <Т с .

Электродинамика предсказывает для идеального проводника совершенно другой результат. Действительно, образец при Т>Т с имеет сопротивление и магнитное поле в него хорошо проникает. После охлаждения его ниже Т с поле останется в образце. Эта ситуация изображена на рис. 2.

Таким образом, кроме нулевого сопротивления сверхпроводники обладают еще одним фундаментальным свойством - идеальным диамагнетизмом. Исчезновение магнитного поля внутри связано с появлением незатухающих поверхностных токов в сверхпроводнике. Но магнитное поле не может быть вытолкнуто полностью, т.к. это бы означало, что на поверхности магнитное поле падает скачком от конечного значения В до нуля. Для этого необходимо, чтобы по поверхности протекал ток, бесконечной плотности, что невозможно. Следовательно, магнитное поле проникает в глубь сверхпроводника, на некоторую глубину л.

Эффект Мейснера Ї Оксенфельда наблюдается только в слабых полях. При увеличении напряженности магнитного поля до величины Н cm сверхпроводящее состояние разрушается. Это поле получило название критического Н cm .Зависимость между критическим магнитным полем и критической температурой хорошо описывается эмпирической формулой (6).

Н cm (T)= Н cm (0) [1-(T/T c ) 2 ] (6)

Где Н cm (0) - критическое поле экстраполированное к абсолютному нулю.

График этой зависимости приведен на рисунке 3. Этот график также можно рассматривать, как фазовую диаграмму, где каждая точка серой части соответствует сверхпроводящему состоянию, а белой области - нормальному.

По характеру проникновения магнитного поля сверхпроводники делятся на сверхпроводники первого и второго рода. В сверхпроводник первого рода магнитное поле не проникает до тех пор пока, напряженность поля не достигнет значения Н cm . Если поле превышает критическое значении, то сверхпроводящее состояние разрушается и поле полностью проникает в образец. К сверхпроводникам первого рода относятся все химические элементы сверхпроводники, кроме ниобия.

Подсчитали, что при переходе металла из нормального состояния в сверхпроводящее производится некоторая работа. Что, собственно, является источником этой работы? То, что у сверхпроводника энергия ниже, чем у того же металла в нормальном состоянии.

Ясно, что «роскошь» эффекта Мейснера сверхпроводник может себе позволить за счет выигрыша в энергии. Выталкивание магнитного поля будет иметь место до тех пор, пока связанное с этим явлением увеличение энергии компенсируется более эффективным ее уменьшением, связанным с переходом металла в сверхпроводящее состояние. В достаточно магнитных полях энергетически более выгодным оказывается не сверхпроводящее, а нормальное состояние, в котором поле свободно проникает в образец.