Meissneri efekt: kuidas ülijuhid magnetvälja tõrjuvad (näited)

Meissneri efekt tähendab, et magnetväli surutakse ülijuhi kehast välja, kui materjal muutub ülijuhtivaks. Erinevalt täiesti takistuseta juhist ei lase ülijuhid magnetväljadel endasse püsivalt jääda — kui aine jahutatakse alla oma kriitilise temperatuuri, tekivad selle pinnal vooluringid, mis tekitavad vastassuunalise magnetväljavektori ja neutraliseerivad sisemuses oleva välja. Seetõttu on ülijuhi sees magnetväli väga väike või ligikaudu null, ja väljaspool keha võib väli olla selle tõttu pisut tugevam.

Kuidas see täpsemalt toimib

Meissneri efekti päritolu selgitavad Londoni võrrandid: ülijuhtide pinnal kulgevad väikesed voolud lüüasaavad sissetuleva magnetväljaga ning põhjustavad välja eksponentsiaalse vähenemise keha pinnast sissepoole. See vähenemine toimub distances, mida nimetatakse penetreerumise (penetration) sügavuseks ehk Londoni pikkuseks (lambda). See pikkus sõltub materjalist ja on tavaliselt kümnetest kuni sadadeni nanomeetrit.

Oluline on ka kriitilised parameetrid: iga ülijuhi puhul on olemas kriitiline temperatuur Tc, mille all tekib ülijuhtivus, ja kriitiline magnetvälja tugevus Hc (või Type II puhul kaks piiri Hc1 ja Hc2). Kui väli ületab neid piirväärtusi, kaotab materjal ülijuhtivuse ja Meissneri efekt lõppeb.

Tüübid ja nähtused

Type I ülijuhid näitavad enamasti täielikku Meissneri efekti kuni kriitilise välja Hc-ni — magnetväli on peaaegu täielikult väljasirutatud. Type II ülijuhid (enamik tehniliselt olulisi kõrgetemperatuurilisi ülijuhtivaid materjale) lähevad suuremate väljade korral seguriiki ehk „mixed state’i“, kus sisemusse tungivad kvantiseeritud magnetvoo torud (vortex’id). Need voolutorud võivad materjalis "kinni püüda" (flux pinning), mis tekitab nähtuse, mida me tihti näeme kui magneti püsivat hõljumist üle külmutatud ülijuhi pinnal — magnet võib liikumisel järgida ülijuhti või olla kindlas asendis lukustatud.

Demonstratsioonid ja igapäevased näited

Levinud demonstratsioon on vedela lämmastikuga jahutatud ülijuhtiva plaadi kohal hõljuv tugev magnet. Kui plaat jahutatakse alla Tc, tekitavad pinnavoolud magnetmärgi väljal vastassuunalise välja ja magnet "hõljub". Type II materjalide korral võib väli osaliselt tungida vortex'ite kujul ning sanktsioonimise tõttu muutub hõljumine väga stabiilseks — magnet ei libise kergesti ära, mis annab muljet "liimunud" hõljumisest.

Rakendused ja tähtsus

Maglev-rongid ja hõljuvad laagrid — kasutavad ülijuhtivust ja flux pinning’u osaliselt tehnilistes prototüüpides.
Meditsiinilised MRI seadmed — kasutavad ülimaid magnetvälju, mis on tekkinud ülijuhtivatest poolidest; kuigi MRI tööpõhimõte põhineb pidevatel vooludel, mängib ülijuhtide magnetiline käitumine olulist rolli.
Võimsate magnetite loomine teaduslikeks rakendusteks (partikliakseleratsioon, magnetresonants jne).
Sensoreid ja SQUID-elemendid, mis mõõdavad väga nõrku magnetvälju.

Ajaloost ja tähelepanek

Meissneri efekti avastasid saksa füüsikud Walter Meissner ja Robert Ochsenfeld 1933. aastal, kui nad mõõtsid magnetvälja ja avastasid, et kui metall jahutati ülijuhtivasse olekusse, expulsseeriti magnetväli sellest välja — see oli ootamatu, sest varem arvatud "täiuslikud juhid" ainult suudaksid takistusteta voolu kanda, ent ei oleks tingimata eemaldanud magnetvälja.

Lihtne katse ja ohutus

Kodune demonstratsioon: võta ülijuhtiv plaat (näiteks YBa2Cu3O7 tüüpi kõrge Tc materjal) ja tugev NdFeB magnet; jahuta plaat vedela lämmastikuga (≈−196 °C). Kui plaat läheb alla Tc, asetub magnet sageli hõljuma või fikseerituna paar millimeetrit plaadi kohal. NB! Vedela lämmastiku ja tugevate magnetitega katsetamisel tuleb järgida ohutusnõudeid:

Kanna kaitseprille ja termokindaid; ära puutu vedelat lämmastikku palja käega.
Ole ettevaatlik tugevate magnetite ümber — need võivad kiirelt kokku klõpsuda ja vigastada käsi või purustada klaasitarbed.
Katseta hästi ventileeritavas ruumis ning järgi seadmete tootja juhiseid.

Meissneri efekt on fundamentaalne omadus, mis eristab ülijuhte teistest headest juhtidest ja millel on nii põhimõtteline kui ka praktiline tähendus kaasaegses tehnoloogias.

Meissneri efekt, mida demonstreeritakse, kui magnet hõljub vedelas lämmastikus jahutatava kupraat- (vasepõhise) ülijuhi kohal.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Meissneri efekt?

V: See on see, kui magnetväli surutakse ülijuhist välja, kui see muutub ülijuhtivaks.

K: Mis juhtub magnetväljaga, kui ülijuht asetatakse suure magneti sisse?

V: Magnetväli on palju väiksem, kui see oli väljaspool ja mida sügavamale te vaatate, seda lähemal see oleks nullile.

K: Mille poolest erinevad ülijuhid magnetvälja poolest täiuslikest juhtidest?

V: Ülijuhid ei lase erinevalt täiuslikest juhtidest magnetvälju läbi.

K: Kes avastas Meissneri efekti?

V: Walter Meissner ja Robert Ochsenfeld avastasid selle efekti 1933. aastal.

K: Kuidas põhjustab Meissneri efekt magnetilevi vedela lämmastikuga jahutatud ülijuhtiva plaadi kohal?

V: Ülijuht mõjub nagu magnet, mis on suunatud vastupidises suunas, et magnetväli ei läheks ülijuhi sisse. See lükkab tõelist magnetit tagasi ja takistab selle lähenemist.

K: Miks muutub magnetväli väljaspool ülijuhti tugevamaks?

V: Magnetväli ei saa minna läbi ülijuhi, seega muutub see vahetult väljaspool ülijuhti tugevamaks.

K: Mis on üks näide Meissneri efektist?

V: Üks Meissneri efekti näide on vedela lämmastikuga jahutatud ülijuhtplaadi kohal hõljuv magnet.