Το 1933, οι Γερμανοί φυσικοί Robert Ochsenfeld και Walther Meißner έκαναν μια πρωτοποριακή ανακάλυψη γνωστή ως το φαινόμενο Meissner. Η έρευνά τους περιελάμβανε τη μέτρηση της κατανομής του μαγνητικού πεδίου που περιβάλλει υπεραγώγιμα δείγματα κασσίτερου και μολύβδου. Κατά την ψύξη αυτών των δειγμάτων κάτω από την υπεραγώγιμη θερμοκρασία μετάπτωσης και την υποβολή τους σε μαγνητικό πεδίο, οι Ochsenfeld και Meißner παρατήρησαν ένα αξιοσημείωτο φαινόμενο. Το μαγνητικό πεδίο έξω από τα δείγματα αυξήθηκε, υποδεικνύοντας την αποβολή του μαγνητικού πεδίου μέσα από τα δείγματα. Αυτό το φαινόμενο, όπου ένας υπεραγωγός εμφανίζει ελάχιστο έως καθόλου μαγνητικό πεδίο μέσα του, ονομάζεται κατάσταση Meissner. Ωστόσο, αυτή η κατάσταση είναι επιρρεπής σε διάσπαση υπό την επίδραση ισχυρών μαγνητικών πεδίων. Αυτό το άρθρο παρέχει μια επισκόπηση του φαινομένου Meissner, των μηχανισμών του και των πρακτικών του εφαρμογών.
Τι είναι το φαινόμενο Meissner;
Το φαινόμενο Meissner είναι η αποβολή του μαγνητικού πεδίου από α υπεραγωγός κατά την αλλαγή του στην υπεραγώγιμη κατάσταση όποτε ψύχεται σε κρίσιμη θερμοκρασία. Αυτή η εκτόξευση μαγνητικού πεδίου θα αντισταθεί σε έναν κοντινό μαγνήτη και η κατάσταση Meissner θα καταρρεύσει κάθε φορά που το μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται είναι πολύ ισχυρό.
Οι υπεραγωγοί είναι διαθέσιμοι σε δύο κατηγορίες με βάση το πώς συμβαίνει η διάσπαση όπως ο τύπος Ι και ο τύπος II. Ο τύπος Ι είναι οι πιο καθαροί στοιχειακοί υπεραγωγοί, εκτός από τους νανοσωλήνες άνθρακα και το νιόβιο, ενώ ο τύπος II είναι σχεδόν όλοι σύνθετοι και ακάθαρτοι υπεραγωγοί.
Το φαινόμενο Meissner στον Υπεραγωγό
Κάθε φορά που οι Υπεραγωγοί ψύχονται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, τότε διώχνουν το μαγνητικό πεδίο και δεν αφήνουν το μαγνητικό πεδίο να εισέλθει μέσα τους, έτσι αυτό το φαινόμενο στους υπεραγωγούς είναι γνωστό ως φαινόμενο Meissner.
Κάθε φορά που ένα υπεραγώγιμο υλικό ψύχεται κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία του, τότε μεταβάλλεται σε υπεραγώγιμη κατάσταση, έτσι τα ηλεκτρόνια του υλικού σχηματίζουν ζεύγη που ονομάζονται Ζεύγη Cooper. Αυτά τα ζεύγη κινούνται χωρίς καμία αντίσταση σε όλο το υλικό. Ταυτόχρονα, το υλικό παρουσιάζει ιδανικό διαμαγνητισμό για να απωθεί τα μαγνητικά πεδία.
Αυτή η απώθηση μπορεί να προκαλέσει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου να κάμψουν περίπου τον υπεραγωγό για να δημιουργήσει ένα επιφανειακό ρεύμα που ακυρώνει με ακρίβεια το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στο υλικό, επομένως, το μαγνητικό πεδίο εκτινάσσεται αποτελεσματικά από τον υπεραγωγό και εμφανίζεται το φαινόμενο Meissner.
Το παράδειγμα του φαινομένου Meissner φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Αυτή η κατάσταση Meissner σπάει κάθε φορά που το μαγνητικό πεδίο αυξάνεται πέρα από μια σταθερή τιμή και το δείγμα συμπεριφέρεται σαν κανονικός αγωγός.
Έτσι, αυτή η συγκεκριμένη τιμή μαγνητικού πεδίου πέρα από την οποία ο υπεραγωγός επανέρχεται στην κανονική του κατάσταση είναι γνωστή ως Κρίσιμο Μαγνητικό Πεδίο. Εδώ, η τιμή του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία. Όταν η θερμοκρασία κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία μειώνεται, η τιμή του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου αυξάνεται. Το παρακάτω Γράφημα εφέ Meissner δείχνει τη μεταβολή εντός του κρίσιμου μαγνητικού πεδίου μέσω της θερμοκρασίας.
Παραγωγή
Οι δύο βασικές πληροφορίες που χρησιμοποιούνται για την παροχή μιας μαθηματικής παραγωγή του φαινομένου Meissner είναι; η αρχή της διατήρησης της ενέργειας & η κύρια σχέση μεταξύ των μαγνητικών πεδίων καθώς και των ηλεκτρικών ρευμάτων. Ηλεκτροκινητική δύναμη είναι η παραγόμενη τάση από μια αλλαγή στη μαγνητική ροή σε ένα κλειστό κύκλωμα. Το EMF ή η ηλεκτροκινητική δύναμη που βασίζεται στον νόμο επαγωγής του Faraday μέσα σε ένα κλειστό κύκλωμα είναι άμεσα ανάλογη με τον ρυθμό μεταβολής του μαγνητικού πεδίου σε όλο το κύκλωμα. Ετσι,
ε = -dΦ/dt
Χρησιμοποιώντας την παραπάνω σχέση, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι κάθε φορά που ένα υλικό μεταβαίνει από μια συνηθισμένη κατάσταση σε μια υπεραγώγιμη κατάσταση, οποιαδήποτε μαγνητική ροή « Φ’ e που αρχικά στο υλικό θα πρέπει να αλλάξει. Έτσι, αυτή η αλλαγή θα δημιουργήσει μια ηλεκτροκινητική δύναμη και θα δημιουργήσει ρεύματα θωράκισης στην επιφάνεια του υλικού. Η αντίσταση σε αυτή την αλλαγή εντός της ροής είναι αυτή που αναγκάζει το φαινόμενο Meissner να εκτινάξει το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Flux Pinning εναντίον Meissner Effect
Η κατανόηση των κύριων διαφορών μεταξύ του καρφώματος ροής και του φαινομένου Meissner σίγουρα επεκτείνει την κατανόηση των φαινομένων υπεραγωγιμότητας και μας λέει ότι η υπεραγωγιμότητα είναι μια πλούσια δύναμη αλληλεπίδρασης και εξαιρετικές συνθήκες της ύλης. Η διαφορά μεταξύ Flux Pinning και Meissner Effect συζητείται παρακάτω.
|
Καρφίτσωμα ροής |
Εφέ Meissner |
| Το Flux pinning είναι ένα είδος φαινομένου που περιγράφει τις σχέσεις μεταξύ ενός μαγνητικού πεδίου και ενός υπεραγωγού υψηλής θερμοκρασίας. | Το φαινόμενο Meissner είναι η αποβολή της μαγνητικής ροής κάθε φορά που ένα υλικό μετατρέπεται σε υπεραγώγιμο μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. |
| Το καρφίτσωμα ροής είναι επίσης γνωστό ως Κβαντικό κλείδωμα. | Το φαινόμενο Meissner είναι επίσης γνωστό ως η θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer. |
| Το Flux Pinning έχει περιορισμένη κατακράτηση μαγνητικού πεδίου.
|
Αυτό εξηγεί την πλήρη αποβολή μαγνητικού πεδίου από έναν υπεραγωγό. |
| Το Flux Pinning ισχύει για όλους τους υπεραγωγούς.
|
Το φαινόμενο Meissner ισχύει μόνο για υπεραγωγούς τύπου II. |
| Το καρφίτσωμα ροής μπορεί να προκαλέσει μαγνητική υστερητική απόδοση λόγω της κίνησης των γραμμών ροής. | Αυτό το φαινόμενο δείχνει ιδανικό διαμαγνητισμό στην κρίσιμη θερμοκρασία. |
Παραμαγνητικό φαινόμενο Meissner σε μικρούς υπεραγωγούς
Αυτό το φαινόμενο είναι η πιο θεμελιώδης ιδιότητα των υπεραγωγών και συνεπάγεται μηδενική ειδική αντίσταση. Επί του παρόντος, αρκετά πειράματα έχουν αποκαλύψει ότι ορισμένα υπεραγώγιμα δείγματα μπορεί να προσελκύουν ένα μαγνητικό πεδίο που ονομάζεται παραμαγνητικό φαινόμενο Meissner. Αυτό το φαινόμενο είναι μια ταλαντευόμενη συνάρτηση για το μαγνητικό πεδίο που αντικαθιστά το τυπικό φαινόμενο Meissner ακριβώς πάνω από ένα συγκεκριμένο πεδίο κάθε φορά που πολυάριθμα κβάντα ροής παγώνουν σε έναν υπεραγωγό.
Η παραμαγνητική κατάσταση βρέθηκε ότι είναι μετασταθερή και η κατάσταση Meissner αποκαθίσταται με εξωτερικό θόρυβο. Έτσι, το παραμαγνητικό φαινόμενο Meissner σχετίζεται με την επιφανειακή υπεραγωγιμότητα, επομένως αντιπροσωπεύει μια κοινή ιδιότητα υπεραγωγού. Με τη μείωση της θερμοκρασίας, η δεσμευμένη ροή στο κρίσιμο πεδίο της επιφάνειας στο υπεραγώγιμο κάλυμμα μειώνεται σε μικρότερο όγκο επιτρέποντας στην πρόσθετη ροή να εισέλθει στην επιφάνεια.
Εφαρμογές
ο εφαρμογές του φαινομένου Meissner περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.
- Αυτό χρησιμοποιείται στο Quantum Levitation ή Quantum Trapping για την ανάπτυξη επερχόμενων τεχνολογιών μεταφοράς και τη λειτουργία SQUIDs για τη μέτρηση λεπτών μαγνητικών αλλαγών.
- Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται στη μαγνητική αιώρηση που σημαίνει ότι ένα σώμα μπορεί να αιωρείται χωρίς υποστήριξη εκτός από μαγνητικό πεδίο
- Οι πιθανές εφαρμογές αυτού του Εφέ περιλαμβάνουν κυρίως: οχήματα μεταφοράς που ανυψώνονται μαγνητικά, βάσεις με χαμηλούς κραδασμούς, ρουλεμάν χωρίς τριβές κ.λπ.
- Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται σε υπεραγωγούς για να σχηματίσει μαγνητικές ασπίδες που προστατεύουν ευαίσθητες συσκευές από μαγνητικές παρεμβολές.
- Αυτό το εφέ επιτρέπει τη δημιουργία ισχυρών υπεραγώγιμων μαγνητών για εφαρμογές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού και επιταχυντών σωματιδίων.
- Χρησιμοποιείται σε τομείς όπως η επιστημονική έρευνα, η ιατρική απεικόνιση, οι μεταφορές κ.λπ.
Ποιος ανακάλυψε το φαινόμενο Seebeck;
Το φαινόμενο Seebeck ανακαλύφθηκε από τον Γερμανό φυσικό «Thomas Johann Seebeck» το έτος 1821.
Γιατί είναι σημαντικό το φαινόμενο Seebeck;
Το φαινόμενο Seebeck είναι χρήσιμο στη μέτρηση της θερμοκρασίας με τεράστια ευαισθησία και ακρίβεια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για διάφορες εφαρμογές.
Τι είναι το φαινόμενο Seebeck και πώς αξιοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας;
Το φαινόμενο Seebeck είναι ένα φαινόμενο όπου μια διακύμανση θερμοκρασίας μεταξύ δύο διαφορετικών ηλεκτρικών αγωγών (ή) ημιαγωγών δημιουργεί μια διαφορά τάσης μεταξύ των δύο ουσιών. Μόλις παρέχεται θερμότητα σε ένα από τα δύο αγωγοί (ή) ημιαγωγοί και στη συνέχεια θερμαινόμενα ηλεκτρόνια ρέουν στον ψυχρότερο αγωγό (ή) ημιαγωγό. Η διαφορά στη θερμοκρασία σχηματίζει ένα EMF που ονομάζεται φαινόμενο Seebeck.
Γιατί το Seebeck αυξάνεται με τη θερμοκρασία;
Η τιμή του συντελεστή Seebeck είναι θετική πάνω από το μετρούμενο εύρος θερμοκρασίας, το οποίο δείχνει απόδοση τύπου p και αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενισχύεται κάθε φορά που αυξάνεται η θερμοκρασία, γεγονός που υποδεικνύει την απόδοση του ημιαγωγού.
Τι είναι το φαινόμενο Meissner και πώς χρησιμοποιείται στη μαγνητική αιώρηση;
Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει τη μαγνητική αιώρηση κάνοντας τους καλούς αγωγούς να κρατούν μακριά ένα μαγνητικό πεδίο κάθε φορά που μετατρέπονται σε υπεραγώγιμα. Μόλις ο αγωγός κρυώσει κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία του, τότε τα μαγνητικά πεδία αποβάλλονται για να δημιουργήσουν το φαινόμενο αιώρησης.
Ποιο είναι το φαινόμενο Meissner που δείχνει ότι οι υπεραγωγοί είναι τέλεια διαμαγνητικά υλικά;
Οι υπεραγωγοί στην κατάσταση Meissner δείχνουν ιδανικό διαμαγνητισμό (ή) υπερδιαμαγνητισμό που σημαίνει ότι ο υπεραγωγός έχει μαγνητική επιδεκτικότητα -1.
Έτσι, αυτό είναι μια επισκόπηση του φαινομένου Meissner , η παραγωγή, οι διαφορές και οι εφαρμογές της. Αυτή είναι η αποβολή του μαγνητικού πεδίου από τη μετάβαση των υπεραγωγών σε μια υπεραγώγιμη κατάσταση κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία. Αυτό το φαινόμενο εντός της υπεραγωγιμότητας περιλαμβάνει την επιφανειακή παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος που δημιουργεί ένα αντιμαγνητικό πεδίο για να αναιρεί τα εξωτερικά μαγνητικά πεδία. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ένας υπεραγωγός;
