Meissnerio efektas: kaip superlaidininkai išstumia magnetinį lauką
Meissnerio efektas reiškia, kad magnetinis laukas yra aktyviai išstumiamas iš superlaidininko, kai medžiaga pereina į superlaidumo būseną — t. y. kai jos temperatūra nukrinta žemiau kritinės temperatūros Tc. Superlaidininkų viduje magnetinis laukas labai silpnėja: nuo paviršiaus jis nuslopinamas eksponentiškai per trumpą atstumą, vadinamą Londono skvarbos gyliu (λ). Kuo giliau į superlaidininko vidų, tuo lauko stiprumas artėja prie nulio; tačiau paviršiuje susidaro nuolatinės srovės, kurios sukuria priešingą magnetinį lauką ir taip jį išstumia.
Trumpa istorija ir reikšmė
Efektą 1933 m. atrado Walteris Meissneris ir Robertas Ochsenfeldas. Jie parodė, kad superlaidininkas ne tik praleidžia sroves be pasipriešinimo, bet ir aktyviai išstumia magnetinį lauką — tai yra esminis skirtumas tarp idealiojo laidininko (kurio lauke srautas gali būti „užfiksuotas“) ir tikro superlaidininko.
Kaip tai veikia (supaprastintai)
- Kai medžiaga tampa superlaidžia, paviršiuje atsiranda nuolatinės (persistuojančios) srovės be pasipriešinimo. Šios srovės sukuria magnetinį lauką, priešingą išorinio magneto laukui, ir taip jį kompensuoja.
- Magnetinis laukas už paviršiaus nuslopinamas eksponentiškai: B(x) ≈ B0 · exp(−x/λ), kur x — atstumas nuo paviršiaus, B0 — paviršinis laukas, o λ — Londono skvarbos gylys.
- Fizinį pagrindą duoda kvantinė superlaidumo teorija: elektronų poros (Cooper poros) ir jų koherentinė būsena lemia izoliaciją nuo kaitaliojamo magnetinio lauko viduje.
Tipai ir papildomi reiškiniai
Yra du pagrindiniai superlaidininkų tipai, susiję su Meissnerio efektu:
- Tipas I: pilnai išstumia magnetinį lauką iki tam tikros kritinės vertės Hc; virš jos superlaidumas sutrinka ir medžiaga virsta normalia laidine būsena.
- Tipas II: prie mažesnių laukų (žemiau Hc1) elgiasi kaip Tipas I, tačiau tarp Hc1 ir Hc2 magnetinis laukas prasiskverbia į superlaidininką per cilindrinius srautus — Abrikosovo virpulius (vorčių). Tarp šių ribų susidaro mišri būsena, ir virpulius galima „įkalinti“ medžiagos defektuose (flux pinning), kas leidžia stabilų levitaciją.
Demonstracijos ir pavyzdžiai
Geriausiai žinomas Meissnerio efekto pavyzdys — magnetas, levituojantis virš superlaidžios plokštelės, aušinamos skystu azotu (dažnai naudojami YBa2Cu3O7−x tipo aukštosios Tc keraminiai superlaidininkai). Magnetas atstumia superlaidininką dėl į paviršių indukuotų srovių. Jei naudojamas Tipas II superlaidininkas su flux pinning, magnetas gali būti ne tik pakeltas virš plokštelės, bet ir „užfiksuotas“ keliose padėtyse — tai suteikia stabilų ir įspūdingą levitacijos demonstraciją.
Praktinės reikšmės ir taikymai
- Magnetinis ekranavimas — superlaidininkai naudojami kuriant labai efektyvias magnetinio lauko apsaugas.
- Maglev technologijos — magnetinė levitacija traukiniams ir eksperimentinėse sistemose.
- MOKSLINIAI prietaisai — SQUID magnetometrai, detektuojantys itin silpnus magnetinius laukus, bei aukštos kokybės magnetai medicinoje (MRI) ir moksliniuose įrenginiuose.
Santrauka
Meissnerio efektas yra esminis superlaidumo požymis: jis rodo, kad superlaidininkas aktyviai stengiasi išstumti magnetinį lauką iš savo vidaus, o šis procesas atsiskleidžia per trumpą paviršinį sluoksnį (Londono skvarbos gylys). Efektas paaiškina, kodėl superlaidininkai gali levituoti virš magnetų ir kodėl jų elgsena skiriasi nuo idealizuotų tobulų laidininkų.
Meisnerio efektas, pademonstruotas levituojant magnetą virš kuprato (vario pagrindo) superlaidininko, aušinamo skystu azotu.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Meissnerio efektas?
Atsakymas: Tai kai magnetinis laukas išstumiamas iš superlaidininko, kai jis tampa superlaidus.
K: Kas atsitinka magnetiniam laukui, kai superlaidininkas patalpinamas į didelį magnetą?
Atsakymas: Magnetinis laukas yra daug mažesnis, nei buvo išorėje, ir kuo giliau žiūrėsite, tuo jis bus arčiau nulio.
K: Kuo superlaidininkai skiriasi nuo tobulųjų laidininkų magnetinio lauko atžvilgiu?
A: Superlaidininkai, kitaip nei tobuli laidininkai, nepraleidžia magnetinių laukų.
K: Kas atrado Meissnerio efektą?
A: Walteris Meissneris ir Robertas Ochsenfeldas šį efektą atrado 1933 m.
K: Kaip dėl Meissnerio efekto magnetas levituoja virš skystu azotu aušinamos superlaidžios plokštelės?
Atsakymas: Superlaidininkas veikia kaip magnetas, nukreiptas priešinga kryptimi, kad magnetinis laukas nepatektų į superlaidininką. Tai atstumia tikrąjį magnetą ir neleidžia jam priartėti.
K: Kodėl magnetinis laukas superlaidininko išorėje tampa stipresnis?
A: Magnetinis laukas negali praeiti pro superlaidininką, todėl jis stiprėja už superlaidininko ribų.
K: Koks yra vienas iš Meissnerio efekto pavyzdžių?
A: Vienas iš Meissnerio efekto pavyzdžių yra magnetas, levituojantis virš skystu azotu aušinamos superlaidžios plokštelės.
