Meissner ผลและการใช้งาน
Meissner effect หรือ Meissner-Oxenfeld effect ประกอบด้วยการกระจัดของสนามแม่เหล็กจากมวลของตัวนำยิ่งยวดในระหว่างการเปลี่ยนผ่านไปสู่สถานะตัวนำยิ่งยวด ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบในปี 1933 โดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Walter Meissner และ Robert Oxenfeld ซึ่งวัดการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กภายนอกตัวอย่างดีบุกและตะกั่วที่มีตัวนำยิ่งยวด
วอลเตอร์ ไมส์เนอร์
ในการทดลอง ตัวนำยิ่งยวดซึ่งมีสนามแม่เหล็กอยู่จะถูกทำให้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดจนกว่าสนามแม่เหล็กภายในของตัวอย่างเกือบทั้งหมดจะถูกรีเซ็ต นักวิทยาศาสตร์ตรวจพบผลกระทบทางอ้อมเท่านั้น เนื่องจากฟลักซ์แม่เหล็กของตัวนำยิ่งยวดถูกรักษาไว้: เมื่อสนามแม่เหล็กภายในตัวอย่างลดลง สนามแม่เหล็กภายนอกจะเพิ่มขึ้น
ดังนั้น การทดลองจึงแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนเป็นครั้งแรกว่าตัวนำยิ่งยวดไม่ได้เป็นเพียงตัวนำในอุดมคติเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นคุณสมบัติเฉพาะที่กำหนดสถานะของตัวนำยิ่งยวดด้วยความสามารถในการเปลี่ยนสนามแม่เหล็กถูกกำหนดโดยธรรมชาติของสมดุลที่เกิดจากการทำให้เป็นกลางภายในเซลล์หน่วยของตัวนำยิ่งยวด
ตัวนำยิ่งยวดที่มีสนามแม่เหล็กน้อยหรือไม่มีเลยจะอยู่ในสถานะไมส์เนอร์ แต่สถานะ Meissner จะสลายเมื่อสนามแม่เหล็กที่ใช้มีกำลังแรงเกินไป
เป็นที่น่าสังเกตว่าตัวนำยิ่งยวดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทขึ้นอยู่กับว่าการละเมิดนี้เกิดขึ้นอย่างไรในตัวนำยิ่งยวดประเภทแรกตัวนำยิ่งยวดจะถูกละเมิดทันทีเมื่อความแรงของสนามแม่เหล็กที่ใช้สูงกว่าค่าวิกฤต Hc .
ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของตัวอย่าง สามารถรับสถานะระดับกลางได้ ซึ่งคล้ายกับรูปแบบที่สวยงามของบริเวณวัสดุปกติที่มีสนามแม่เหล็กผสมกับบริเวณของวัสดุตัวนำยิ่งยวดที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก
ในตัวนำยิ่งยวดประเภท II การเพิ่มความแรงของสนามแม่เหล็กที่ใช้เป็นค่าวิกฤตค่าแรก Hc1 ทำให้เกิดสถานะผสม (หรือที่เรียกว่าสถานะวอร์เท็กซ์) ซึ่งฟลักซ์แม่เหล็กแทรกซึมเข้าไปในวัสดุมากขึ้นเรื่อยๆ แต่ไม่มีความต้านทานต่อกระแสไฟฟ้า เว้นแต่กระแสนี้จะไม่สูงเกินไป
ที่ค่าของกำลังวิกฤตที่สอง Hc2 สถานะตัวนำยิ่งยวดจะถูกทำลาย สถานะผสมเกิดจาก vortices ในของไหลอิเล็กตรอน superfluid ซึ่งบางครั้งเรียกว่า fluxons (fluxon-quantum of magnetic flux) เนื่องจาก flux ที่นำพาโดย vortices เหล่านี้ถูกวัดปริมาณ
ตัวนำยิ่งยวดที่เป็นองค์ประกอบที่บริสุทธิ์ที่สุด ยกเว้นไนโอเบียมและท่อนาโนคาร์บอนเป็นประเภทแรก ในขณะที่สารเจือปนและตัวนำยิ่งยวดเชิงซ้อนเกือบทั้งหมดเป็นประเภทที่สอง
ปรากฏการณ์ทางปรากฏการณ์วิทยา Meissner ได้รับการอธิบายโดยสองพี่น้อง Fritz และ Heinz London ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่ปราศจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวนำยิ่งยวดนั้นลดลงภายใต้เงื่อนไข:
เงื่อนไขนี้เรียกว่าสมการลอนดอน เขาทำนายว่าสนามแม่เหล็กในตัวนำยิ่งยวดจะสลายตัวแบบทวีคูณจากค่าใดๆ ก็ตามที่พื้นผิวมี
หากใช้สนามแม่เหล็กอ่อน ตัวนำยิ่งยวดจะแทนที่ฟลักซ์แม่เหล็กเกือบทั้งหมด นี่เป็นเพราะการปรากฏตัวของกระแสไฟฟ้าใกล้ ๆ พื้นผิว สนามแม่เหล็กของกระแสบนพื้นผิวทำให้สนามแม่เหล็กที่ใช้เป็นกลางภายในปริมาตรของตัวนำยิ่งยวด เนื่องจากการกระจัดหรือการกดทับของสนามจะไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป หมายความว่ากระแสที่สร้างผลกระทบนี้ (กระแสตรง) จะไม่สลายตัวไปตามกาลเวลา
ใกล้พื้นผิวของตัวอย่างภายในความลึกของลอนดอน สนามแม่เหล็กไม่ได้ขาดหายไปอย่างสมบูรณ์ วัสดุตัวนำยิ่งยวดแต่ละชนิดมีความลึกในการเจาะแม่เหล็กของตัวเอง
ตัวนำที่สมบูรณ์แบบจะป้องกันการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นผิวเนื่องจากการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าปกติที่ความต้านทานเป็นศูนย์ แต่ปรากฏการณ์ Meissner แตกต่างจากปรากฏการณ์นี้
เมื่อตัวนำทั่วไปถูกทำให้เย็นลงจนถึงสถานะของตัวนำยิ่งยวดในที่ที่มีสนามแม่เหล็กที่ใช้อย่างถาวร ฟลักซ์แม่เหล็กจะถูกขับออกมาระหว่างการเปลี่ยนแปลงนี้ ผลกระทบนี้ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยค่าการนำไฟฟ้าที่ไม่สิ้นสุด
การวางตำแหน่งและการลอยตัวของแม่เหล็กบนวัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวดอยู่แล้วจะไม่แสดงผลของ Meissner ในขณะที่ผลกระทบของ Meissner จะแสดงขึ้นหากแม่เหล็กที่อยู่นิ่งในตอนแรกถูกไล่ออกในภายหลังโดยตัวนำยิ่งยวดที่เย็นลงจนถึงอุณหภูมิวิกฤต
ในสถานะ Meissner ตัวนำยิ่งยวดแสดงไดอะแมกเนติซึมที่สมบูรณ์แบบหรือไดอะแมกเนติกยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าสนามแม่เหล็กทั้งหมดนั้นอยู่ลึกเข้าไปใกล้ศูนย์มาก ซึ่งอยู่ลึกเข้าไปด้านในจากพื้นผิวมาก ความไวต่อแม่เหล็ก -1.
ไดอะแมกเนติกถูกกำหนดโดยการสร้างแม่เหล็กที่เกิดขึ้นเองของวัสดุซึ่งตรงข้ามกับทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอก แต่จุดกำเนิด พื้นฐานของไดอะแมกเนติกในตัวนำยิ่งยวดและวัสดุปกตินั้นแตกต่างกันมาก
ในวัสดุทั่วไป ไดอะแมกเนติกเกิดขึ้นเป็นผลโดยตรงจากการหมุนวงโคจรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อใช้สนามแม่เหล็กภายนอก ในตัวนำยิ่งยวด ภาพลวงตาของไดอะแมกเนติกที่สมบูรณ์แบบเกิดขึ้นเนื่องจากกระแสป้องกันคงที่ซึ่งไหลสวนสนามที่ใช้ (เอฟเฟกต์ Meissner เอง) ไม่ใช่เพียงเพราะการหมุนของวงโคจร
การค้นพบ Meissner effect นำไปสู่ทฤษฎีปรากฎการณ์วิทยาของการนำยิ่งยวดโดย Fritz และ Heinz London ในปี 1935 ทฤษฎีนี้อธิบายการหายไปของการต่อต้านและผลกระทบของไมส์เนอร์ สิ่งนี้ทำให้เราสามารถคาดการณ์เชิงทฤษฎีเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดได้เป็นครั้งแรก
อย่างไรก็ตาม ทฤษฎีนี้อธิบายเฉพาะการสังเกตการณ์เชิงทดลองเท่านั้น แต่ไม่อนุญาตให้ระบุแหล่งกำเนิดของคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดในระดับมหภาคสิ่งนี้ทำสำเร็จในภายหลังในปี 1957 โดยทฤษฎี Bardeen-Cooper-Schriefer ซึ่งทั้งความลึกของการเจาะลึกและผล Meissner ตามมา อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์บางคนแย้งว่าทฤษฎีบาร์ดีน-คูเปอร์-ชรีฟเฟอร์ไม่ได้อธิบายถึงผลของไมส์เนอร์
เอฟเฟกต์ Meissner ถูกนำมาใช้ตามหลักการต่อไปนี้ เมื่ออุณหภูมิของวัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวดผ่านค่าวิกฤต สนามแม่เหล็กรอบๆ จะเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน ส่งผลให้มีการสร้างพัลส์ EMF ในขดลวดที่พันรอบๆ วัสดุดังกล่าว และเมื่อกระแสของคอยล์ควบคุมเปลี่ยนไป สถานะแม่เหล็กของวัสดุก็สามารถควบคุมได้ ปรากฏการณ์นี้ใช้ในการวัดสนามแม่เหล็กที่อ่อนมากโดยใช้เซ็นเซอร์พิเศษ
ไครโอตรอนเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่งที่อาศัยผลของไมส์เนอร์ โครงสร้างประกอบด้วยตัวนำยิ่งยวดสองตัว ขดลวดไนโอเบียมพันรอบแท่งแทนทาลัมซึ่งกระแสควบคุมไหลผ่าน
เมื่อกระแสควบคุมเพิ่มขึ้นความแรงของสนามแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นและแทนทาลัมจะผ่านจากสถานะตัวนำยิ่งยวดไปสู่สถานะปกติ ในกรณีนี้ สภาพการนำไฟฟ้าของลวดแทนทาลัมและกระแสการทำงานในวงจรควบคุมจะเปลี่ยนแบบไม่เป็นเชิงเส้น มารยาท. ตัวอย่างเช่น บนพื้นฐานของไครโอตรอน วาล์วควบคุมจะถูกสร้างขึ้น