Условие мейснера. Эффект мейснера и его практическое применение

Физическое объяснение

При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма. Этим сверхпроводник отличается от идеального проводника, у которого при падении сопротивления до нуля индукция магнитного поля в объёме должна сохраняться без изменения.

Отсутствие магнитного поля в объёме проводника позволяет заключить из общих законов магнитного поля , что в нём существует только поверхностный ток. Он физически реален и поэтому занимает некоторый тонкий слой вблизи поверхности. Магнитное поле тока уничтожает внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом отношении сверхпроводник ведёт себя формально как идеальный диамагнетик . Однако он не является диамагнетиком, так как внутри него намагниченность равна нулю.

Эффект Мейсснера не может быть объяснён только бесконечной проводимостью. Впервые его природу объяснили братья Фриц и Хайнц Лондон c помощью уравнения Лондонов . Они показали, что в сверхпроводник поле проникает на фиксированную глубину от поверхности - лондоновскую глубину проникновения магнитного поля . Для металлов мкм.

Сверхпроводники I и II рода

Чистые вещества, у которых наблюдается явление сверхпроводимости, немногочисленны. Чаще сверхпроводимость бывает у сплавов. У чистых веществ имеет место полный эффект Мейснера, а у сплавов не происходит полного выталкивания магнитного поля из объёма (частичный эффект Мейснера). Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный - сверхпроводниками второго рода.

У сверхпроводников второго рода в объёме имеются круговые токи, создающие магнитное поле, которое, однако, заполняет не весь объём, а распределено в нём в виде отдельных нитей. Что же касается сопротивления, оно равно нулю, как и в сверхпроводниках первого рода.

«Гроб Магомета»

«Гроб Магомета» - опыт, демонстрирующий этот эффект в сверхпроводниках .

Происхождение названия

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Эффект Мейснера" в других словарях:

эффект Мейснера - Meisnerio reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Meissner effect vok. Meißner Effekt, m; Meißner Ochsenfeld Effekt, m rus. эффект Мейснера, m pranc. effet Meissner, m … Fizikos terminų žodynas

эффект Мейснера-Оксенфельда - Явление обращения в нуль магнитной индукции в глубине массивного сверхпроводника … Политехнический терминологический толковый словарь

Вытеснение магнитного поля из металлического проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние; открыт в 1933 немецкими физиками В. Мейснером (W. Meißner) и Р. Оксенфельдом (R. Ochsenfeld). * * * МЕЙСНЕРА ЭФФЕКТ МЕЙСНЕРА ЭФФЕКТ, вытеснение… … Энциклопедический словарь

Схема Эффекта Мейснера. Показаны линии магнитного поля и их вытеснение из сверхпроводника, находящегося ниже своей критической температуры. Эффект Мейснера полное вытеснение магнитного поля из материала при переходе в сверхпроводящее состояние.… … Википедия

Полное вытеснение магн. поля из металлич. проводника, когда последний становится сверхпроводящим (при понижении темп ры и напряжённости магн. поля ниже критич. значения Нк). М. э. впервые наблюдался нем. физиками В. Мейснером (W. Meissner) и Р.… … Физическая энциклопедия

МЕЙСНЕРА ЭФФЕКТ, вытеснение магнитного поля из вещества при его переходе в сверхпроводящее состояние (смотри Сверхпроводимость). Открыт немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом в 1933 … Современная энциклопедия

Вытеснение магнитного поля из вещества при его переходе в сверхпроводящее состояние; открыт в 1933 немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом … Большой Энциклопедический словарь

Мейснера эффект - МЕЙСНЕРА ЭФФЕКТ, вытеснение магнитного поля из вещества при его переходе в сверхпроводящее состояние (смотри Сверхпроводимость). Открыт немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом в 1933. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Полное вытеснение магнитного поля из металлического проводника, когда последний становится сверхпроводящим (при напряжённости приложенного магнитного поля ниже критического значения Hk). М. э. впервые наблюдался в 1933 немецкими физиками… … Большая советская энциклопедия

Книги

• Мои научные статьи. Книга 2. Метод матриц плотности в квантовых теориях сверхтекучести и сверхпровод , Бондарев Борис Владимирович. В этой книге собраны статьи, в которых методом матриц плотности были изложены новые квантовые теории сверхтекучести и сверхпроводимости. В первой статье развита теория сверхтекучести, в…

Эффект Мейснера или эффект Мейснера-Оксенфельда заключается в вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Данное явление в 1933 году обнаружили немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд, измерившие распределение магнитного поля за пределами сверхпроводящих образцов олова и свинца.

В эксперименте сверхпроводники, в присутствии приложенного магнитного поля, охлаждали ниже температуры их сверхпроводящего перехода, при этом почти все внутреннее магнитное поле образцов обнулялось. Эффект был обнаружен учеными лишь косвенно, так как магнитный поток сверхпроводника сохранялся: когда магнитное поле внутри образца уменьшалось, внешнее магнитное поле увеличивалось.

Таким образом эксперимент впервые четко показал, что сверхпроводники были не просто идеальными проводниками, но и демонстрировали уникальное определяющее свойство сверхпроводящего состояния. Способность к эффекту вытеснения магнитного поля определяется природой равновесия, образованного нейтрализацией внутри элементарной ячейки сверхпроводника.

Считается, что сверхпроводник со слабым магнитным полем или вообще без магнитного поля пребывает в состоянии Мейснера. Но состояние Мейснера нарушается, когда приложенное магнитное поле оказывается слишком велико.

Здесь стоит отметить, что сверхпроводники можно разделить на два класса в зависимости от того, как происходит это нарушение. В сверхпроводниках первого рода сверхпроводимость резко нарушается когда напряженность приложенного магнитного поля становятся выше критического значения Hc.

В зависимости от геометрии образца можно получить промежуточное состояние, подобное изысканному рисунку областей нормального материала, несущего магнитное поле, смешанных с областями сверхпроводящего материала, где магнитное поле отсутствует.

В сверхпроводниках второго рода повышение напряженности приложенного магнитного поля до первого критического значения Hc1 приводит к смешанному состоянию (также известному как вихревое состояние), в котором все большее количество магнитного потока проникает в материал, но сопротивления электрическому току, если этот ток не слишком велик, не остается.

При величине второй критической напряженности Hc2 сверхпроводящее состояние разрушается. Смешанное состояние вызывается вихрями в сверхтекучей электронной жидкости, которые иногда называют флюксонами (флюксон-квант магнитного потока), поскольку поток переносимый этими вихрями квантуется.

Самые чистые элементарные сверхпроводники, кроме ниобия и углеродистых нанотрубок, являются сверхпроводниками первого типа, в то время как почти все примесные и сложные сверхпроводники - относятся ко второму типу сверхпроводников.

Феноменологически эффект Мейснера был объяснен братьями Фрицем и Хайнцем Лондонами, которые показали, что свободная электромагнитная энергия сверхпроводника минимизируется при условии:

Данное условие называется уравнением Лондонов. Оно предсказывает, что магнитное поле в сверхпроводнике экспоненциально затухает от любого значения, которым оно обладает на поверхности.

Если приложено слабое магнитное поле, то сверхпроводник вытесняет почти весь магнитный поток. Это происходит из-за возникновения электрических токов вблизи его поверхности. Магнитное поле поверхностных токов нейтрализует приложенное магнитное поле внутри объема сверхпроводника. Поскольку вытеснение или подавление поля не изменяется со временем, значит токи создающие данный эффект (постоянные токи), со временем не затухают.

У поверхности образца в пределах лондоновской глубины, магнитное поле не полностью отсутствует. Каждый сверхпроводящий материал имеет собственную глубину проникновения магнитного поля.

Любой совершенный проводник предотвратит всякое изменение магнитного потока, проходящего через его поверхность из-за обычной электромагнитной индукции при нулевом сопротивлении. Но эффект Мейснера отличается от данного явления.

Когда обычный проводник охлаждается таким образом, что переходит в сверхпроводящее состояние при наличии постоянно приложенного магнитного поля, магнитный поток вытесняется во время этого перехода. Данный эффект нельзя объяснить бесконечной проводимостью.

Размещение и последующая левитация магнита над уже сверхпроводящим материалом не демонстрирует эффекта Мейснера, в то время как эффект Мейснера демонстрируется если первоначально неподвижный магнит позже отталкивается от сверхпроводника охлаждаемого до критической температуры.

В состоянии Мейснера сверхпроводники демонстрируют совершенный диамагнетизм или супердиамагнетизм. Это означает, что полное магнитное поле очень близко к нулю глубоко внутри них, на большом расстоянии внутри от поверхности. Магнитная восприимчивость -1.

Диамагнетизм определяется генерацией спонтанной намагниченности материала, которая прямо противоположна направлению приложенного снаружи магнитного поля. Но фундаментальное происхождение диамагнетизма в сверхпроводниках и нормальных материалах сильно различается.

В обычных материалах диамагнетизм возникает как прямой результат орбитального вращения электронов вокруг ядер атома, индуцированного электромагнитного при приложении внешнего магнитного поля. В сверхпроводниках же иллюзия совершенного диамагнетизма возникает из-за постоянных экранирующих токов, которые протекают в противоположность приложенному полю (собственно эффект Мейснера), а не только за счет орбитального вращения.

Открытие эффекта Мейснера привело в 1935 году к феноменологической теории сверхпроводимости Фрица и Хайнца Лондонов. Эта теория объяснила исчезновение сопротивления и эффект Мейснера. Она позволила сделать первые теоретические предсказания касательно сверхпроводимости.

Однако эта теория лишь объяснила экспериментальные наблюдения, но она не позволила идентифицировать макроскопическое происхождение сверхпроводящих свойств. Это было успешно сделано позже, в 1957 году, теорией Бардина-Купера-Шриффера, из которой вытекает и глубина проникновения и эффект Мейснера. Тем не менее, некоторые физики утверждают, что теория Бардина-Купера-Шриффера не объясняет эффекта Мейснера.

Применение эффекта Мейснера реализуется по следующему принципу. При переходе температуры сверхпроводящего материала через критическое значение, магнитное поле вокруг него резко изменяется, что приводит к генерации импульса ЭДС в катушке, намотанной вокруг такого материала. А при изменении тока управляющей обмотки можно управлять магнитным состоянием материала. Данное явление используют с целью измерений сверхслабых магнитных полей при помощи специальных датчиков.

Криотрон - переключающее устройство на базе эффекта Мейснера. Конструктивно он состоит из двух сверхпроводников. Вокруг танталового стержня 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 нелинейным образом изменяется проводимость танталового проводника и рабочий ток в контрольной цепи. На основе криотронов создают, например, управляемые вентили.

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.

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.

Левитация - это преодоление силы тяжести, при которой субъект или объект находится в пространстве без опоры. Слово «левитация» происходит от латинского Levitas, что означает «легкость».

Левитацию неправильно приравнивать к полету, потому что последний основан на сопротивлении воздуха, именно поэтому птицы, насекомые и другие животные летают, а не левитируют.

Левитация в физике

Левитация в физике относится к устойчивому положению тела в гравитационном поле, при этом тело не должно касаться других объектов. Левитация подразумевает некоторые необходимые и труднодостижимые условия:

• Сила, которая способна компенсировать гравитационное притяжение и силу тяжести.
• Сила, которая способна обеспечить устойчивость тела в пространстве.

Из закона Гаусса следует, что в статическом магнитном поле статические тела или объекты не способны к левитации. Однако если сменить условия, то можно достичь левитации.

Квантовая левитация

Широкой публике о квантовой левитации впервые стало известно в марте 1991 года, когда в научном журнале Nature было опубликовано интересное фото. На нем директор Токийской исследовательской лаборатории по сверхпроводимости Дон Тапскотт стоял на керамической сверхпроводящей пластине, а между полом и пластиной не было ничего. Фотография оказалась настоящей, а пластина, которая вместе со стоящим на ней директором весила около 120 килограммов, могла левитировать над полом благодаря эффекту сверхпроводимости, известному как эффект Мейснера-Оксенфельда.

Диамагнитная левитация

Так называют тип пребывания в подвешенном состоянии в магнитном поле тела, содержащего воду, которая сама по себе является диамагнетиком, то есть материалом, атомы которого способны намагничиваться против направления основного электромагнитного поля.

В процессе диамагнитной левитации основную роль играют диамагнитные свойства проводников, атомы которых под действием внешнего магнитного поля слегка изменяют параметры движения электронов в их молекулах, что приводит к появлению слабого магнитного поля, противоположного по направлению основному. Эффекта этого слабого электромагнитного поля достаточно, чтобы преодолеть силу тяжести.

Чтобы продемонстрировать диамагнитную левитацию, ученые многократно проводили опыты на небольших животных.

Этот вид левитации использовался в экспериментах на живых объектах. Во время опытов во внешнем магнитном поле с индукцией около 17 Тесла было достигнуто подвешенное состояние (левитация) лягушек и мышей.

По третьему закону Ньютона, свойства диамагнетиков можно использовать и наоборот, то есть для левитации магнита в поле диамагнетика или для его стабилизации в электромагнитном поле.

Диамагнитная левитация по своей природе идентична квантовой левитации. То есть как и при воздействии эффекта Мейснера, происходит абсолютное вытеснение из материала проводника магнитного поля. Небольшим отличием является лишь то, что для достижения диамагнитной левитации необходимо значительно более сильное электромагнитное поле, однако при этом совершенно не нужно охлаждать проводники, чтобы добиться их сверхпроводимости, как в случае с квантовой левитацией.

В домашних условиях можно даже поставить несколько опытов по диамагнитной левитации, например, при наличии двух пластин висмута (который является диамагнетиком) можно установить в подвешенное состояние магнит с невысокой индукцией, около 1 Тл. Кроме того, в электромагнитном поле с индукцией в 11 Тесла можно стабилизировать в подвешенном состоянии небольшой магнит, регулируя его положение пальцами, при этом совершенно не касаясь магнита.

Часто встречающимися диамагнетиками являются практически все инертные газы, фосфор, азот, кремний, водород, серебро, золото, медь и цинк. Даже человеческое тело является диамагнетиком в правильном электромагнитном магнитном поле.

Магнитная левитация

Магнитная левитация - это эффективный метод поднятия объекта с использованием магнитного поля. В этом случае магнитное давление используется для компенсации силы тяжести и свободного падения.

Согласно теореме Ирншоу, нельзя удерживать объект в гравитационном поле устойчиво. То есть левитация при таких условиях невозможна, однако если принять во внимание механизмы действия диамагнетиков, вихревых токов и сверхпроводников, то можно достичь эффективной левитации.

Если магнитная левитация обеспечивает подъемную силу при механической поддержке, такое явление принято называть псевдолевитацией.

Эффект Мейснера

Эффект Мейснера - это процесс абсолютного вытеснения магнитного поля из всего объема проводника. Обычно это происходит в процессе перехода проводника в сверхпроводящее состояние. Именно этим сверхпроводники отличаются от идеальных - при том, что у обоих сопротивление отсутствует, магнитная индукция идеальных проводников остается неизменной.

Впервые это явление наблюдали и описали в 1933 году двое немецких физиков - Мейснер и Оксенфельд. Именно поэтому иногда квантовую левитацию называют эффектом Мейснера-Оксенфельда.

Из общих законов электромагнитного поля следует, что при отсутствии в объеме проводника магнитного поля в нем присутствует только поверхностный ток, который занимает пространство у поверхности сверхпроводника. При этих условиях сверхпроводник ведет себя так же, как и диамагнетик, при этом таковым не являясь.

Эффект Мейснера разделяют на полный и частичный, в зависимости от качества сверхпроводников. Полный эффект Мейснера наблюдается, когда магнитное поле вытесняется полностью.

Высокотемпературные сверхпроводники

В природе мало чистых сверхпроводников. Большинство их материалов, обладающих свойствами сверхпроводимости, являются сплавами, у которых чаще всего наблюдается лишь частичный эффект Мейснера.

В сверхпроводниках именно способность полностью вытеснять магнитное поле из своего объема разделяет материалы на сверхпроводники первого и второго типов. Сверхпроводниками первого типа являются чистые вещества, например, ртуть, свинец и олово, способные даже при высоких магнитных полях продемонстрировать полный эффект Мейснера. Сверхпроводники второго типа - чаще всего сплавы, а также керамика или некоторые органические соединения, которые в условиях магнитного поля с высокой индукцией способны лишь на частичное вытеснение магнитного поля из своего объема. Тем не менее в условиях очень малой индукции магнитного поля практически все сверхпроводники, в том числе и второго типа, способны на полный эффект Мейснера.

Известно несколько сотен сплавов, соединений и несколько чистых материалов, обладающих характеристиками квантовой сверхпроводимости.

Опыт «Гроб Магомета»

«Гроб Магомета» - это своеобразный фокус с левитацией. Так называли опыт, наглядно демонстрирующий эффект.

Согласно мусульманской легенде, гроб пророка Магомеда находился в воздухе в подвешенном состоянии, без какой-либо опоры и поддержки. Именно поэтому у опыта такое название.

Научное объяснение опыта

Сверхпроводимость может быть достигнута лишь при очень низких температурах, поэтому сверхпроводник необходимо заранее охладить, например, при помощи высокотемпературных газов, таких как жидкий гелий или жидкий азот.

Затем на поверхность плоского охлажденного сверхпроводника помещают магнит. Даже в полях с минимальной магнитной индукцией, не превышающей 0,001 Тесла, магнит поднимается вверх над поверхностью сверхпроводника примерно на 7-8 миллиметров. Если постепенно увеличивать индукцию магнитного поля, расстояние между поверхностью сверхпроводника и магнитом будет увеличиваться все больше и больше.

Магнит буде продолжать левитировать до того момента, пока внешние условия не изменятся и сверхпроводник не потеряет свои сверхпроводящие характеристики.