Эффект Мейсснера

Эффект Мейсснера

Эффект Мейсснера был первым шагом к пониманию природы сверхпроводимости. Он открыт в 1933 г. Мейсснером и Оксенфельдом, соответственно иногда его называют эффектом Мейсснера -- Оксенфельда. Суть его состоит в том, что магнитного поля внутри сверхпроводника нет ($\overrightarrow{B}=0,\ \overrightarrow{H}=0$). Именно это свойство отличает сверхпроводник от идеального проводника. В проводнике магнитное поле может сохраняться на протяжении некоторого времени, его еще называют «вмороженное поле». В том случае, если проводник, который находится в магнитном поле, переходит в сверхпроводящее состояние, то внешнее магнитное поле выталкивается из него. Причем, необходимо отметить, что магнитное поле выталкивается только из объема самого проводника, а не из области, которая охватывается сверхпроводником.

Во всех проводниках наблюдается эффект Мейсснера. Чистые вещества -- сверхпроводники немногочисленны. Чаще явление сверхпроводимости имеется у сплавов. У чистых веществ наблюдается полный эффект Мейсснера, у сплавов наблюдается частичное вытеснение магнитного поля из объема. Вещества, у которых проявляется полный эффект Мейсснера, являются сверхпроводниками первого рода, сверхпроводники, обладающие частичным эффектом Мейсснера - сверхпроводники второго рода.

У сверхпроводников второго рода в объеме присутствуют круговые токи, которые порождают магнитное поле, однако магнитное поле при этом распределено в виде отдельных нитей.

В реальных сверхпроводниках все же существует некоторая глубина, на которую магнитное поле проникает внутрь. Она зависит от температуры и геометрии тела. При температурах, которые ниже критической на 1-2 К магнитное поле проникает в сверхпроводник на глубину около ${10}^{-5}см$.

Экспериментальное доказательство существования эффекта

Эффект Мейсснера -- Оксенфельда наглядно демонстрируется в «зависании» магнита над поверхностью сверхпроводника. На тарелку из сверхпроводника, которая имеет температуру ниже критической, опускают маленький магнит. В тарелке появляются незатухающие индукционные токи. Эти токи отталкивают магнит, что проявляется в его парении над тарелкой.

Это явление можно наблюдать, если магнит положить на тарелку с температурой выше критической, а потом систему охладить. После прохождения температуры ниже критической магнит начнет парить. Выталкивание магнитного поля из сверхпроводника сопровождается изменением магнитных потоков, а значит и порождением индукционных токов. Данные токи определяются взаимным расположением магнита и тарелки и не зависят от того, как оно достигалось.

Допустим, что у нас имеется сверхпроводник первого рода в форме шара. Внешние условия, в которых находится сверхпроводник, будем описывать температурой и индукцией внешнего магнитного поля. Сверхпроводник находится в магнитном поле (B) при температуре выше $T_k$ (рис.1 (а)). Уменьшим температуру до $T\le T_k\ $(рис. 1(b)). Выключим магнитное поле (при $T\le T_k$) рис.1 (с).

На рис.2 (a,b,c) даны изображения силовых линий магнитного поля, если в поле находится идеальный проводник (шар), при таких же условиях, что и сверхпроводник.

Рисунок 1. Поверхностный ток – следствие эффекта Мейсснера

Так как магнитное поле в объеме сверхпроводника отсутствует, то значит, что в нем существует только поверхностный ток. Этот ток является реальным физически, следовательно, занимает тонкий слой около поверхности сверхпроводника.

Магнитное поле тока нивелирует внутри сверхпроводника внешнее магнитное поле. В этом проявляются формальные черты диамагнетика в поведении сверхпроводника. Но, надо отметить, что при этом сверхпроводник диамагнетиком не является, так как внутри него намагниченность равна нулю.

Критическое магнитное поле

Если увеличивать величину $\overrightarrow{B}$ внешнего магнитного поля (или напряжённость магнитного поля) выше определенного значения, то сверхпроводимость вещества исчезнет. То есть магнитное поле разрушает сверхпроводимость, вещество приходит в нормальное состояние, магнитное поле проникает внутрь тела. Магнитное поле, при котором происходит переход из сверхпроводящего в обычное состояние вещества, называют критическим ($B_k,H_k\ $).

Критическое поле зависит от температуры. Критическое поле можно определить как такое внешнее магнитное поле, при котором при заданной температуре сверхпроводящая и нормальная фазы вещества находятся в равновесии.

Критическое поле для чистых металлов не выше, чем ${10}^3Гс.\ $Не так давно обнаружены «жесткие» сверхпроводники, для которых критические поля существенно выше.

Если полагать, что сверхпроводник имеет форму длинного цилиндра, а внешнее поле однородно и параллельно оси провода, тогда магнитное поле на поверхности тела имеет одинаковые значения для всех точек. Если внешнее поле увеличивать, то оно достигает критического значения во всех точках в одно время. При этом тело целиком перейдет в нормальное состояние.

Если форма сверхпроводника отличается от длинного цилиндра, то ситуация существенно усложняется. Рассмотрим, например сверхпроводящий шар, внесенный в магнитное поле. Максимальное значение магнитное поле на поверхности шара достигает на экваторе. Следовательно, ранее всего критического значения магнитное поле достигнет именно там, значит, исчезновение сверхпроводимости должно начинаться именно на экваторе. Уничтожение сверхпроводимости в магнитном поле происходит в виде превращения шара в совокупность чередующихся тонких слоев (областей - доменов) из сверхпроводящих и нормальных фаз. Данное состояние сверхпроводника из сверхпроводящих и нормальных фаз, связанное с формой и вызванное магнитным полем, называют промежуточным состоянием.