마이스너 효과와 그 사용

Meissner 효과 또는 Meissner-Oxenfeld 효과는 초전도 상태로 전환하는 동안 초전도체 벌크에서 자기장의 변위로 구성됩니다. 이 현상은 1933년 독일의 물리학자 Walter Meissner와 Robert Oxenfeld가 주석과 납의 초전도 샘플 외부에서 자기장의 분포를 측정하여 발견했습니다.

월터 마이스너

실험에서 자기장이 적용된 초전도체는 거의 모든 샘플의 내부 자기장이 재설정될 때까지 초전도 전이 온도 아래로 냉각되었습니다. 이 효과는 초전도체의 자속이 보존되기 때문에 과학자들에 의해 간접적으로만 감지되었습니다. 샘플 내부의 자기장이 감소하면 외부 자기장이 증가합니다.

따라서 실험은 초전도체가 이상적인 전도체일 뿐만 아니라 초전도 상태를 정의하는 고유한 특성을 보여 준다는 것을 처음으로 명확하게 보여주었습니다.자기장 이동 능력은 초전도체 단위 셀 내부의 중성화에 의해 형성된 평형의 특성에 의해 결정됩니다.

자기장이 거의 또는 전혀 없는 초전도체는 마이스너 상태에 있다고 합니다. 그러나 적용된 자기장이 너무 강하면 마이스너 상태가 무너집니다.

여기서 초전도체는 이 위반이 어떻게 발생하느냐에 따라 두 부류로 나눌 수 있는데, 첫 번째 유형의 초전도체는 인가된 자기장의 세기가 임계치 Hc보다 높아지면 초전도성이 급격하게 위반된다.

샘플의 형상에 따라 자기장이 없는 초전도 물질 영역과 혼합된 자기장을 전달하는 일반 물질 영역의 절묘한 패턴과 유사한 중간 상태를 얻을 수 있습니다.

유형 II 초전도체에서 인가된 자기장 강도를 첫 번째 임계값 Hc1로 증가시키면 점점 더 많은 자속이 재료를 관통하지만 전류에 대한 저항이 없는 혼합 상태(소용돌이 상태라고도 함)가 발생합니다. 이 전류가 너무 높지 않은 한.

두 번째 임계 강도 Hc2의 값에서 초전도 상태가 파괴됩니다. 혼합 상태는 초유체 전자 유체의 와류에 의해 발생하며, 이러한 와류에 의해 전달되는 플럭스가 양자화되기 때문에 플럭슨(fluxon-quantum of magnetic flux)이라고도 합니다.

니오븀과 탄소 나노튜브를 제외한 가장 순수한 원소 초전도체는 첫 번째 유형이며, 거의 모든 불순물과 복합 초전도체는 두 번째 유형입니다.

현상학적으로 Meissner 효과는 Fritz와 Heinz London 형제에 의해 설명되었으며, 그는 초전도체의 전자기 자유 에너지가 다음 조건에서 최소화됨을 보여주었습니다.

이 조건을 런던 방정식이라고 합니다. 그는 초전도체의 자기장이 표면에서 갖는 값이 무엇이든 기하급수적으로 감소한다고 예측했습니다.

약한 자기장이 가해지면 초전도체는 거의 모든 자속을 대체합니다. 이것은 표면 근처에 전류가 나타나기 때문입니다 표면 전류의 자기장은 초전도체 볼륨 내부에 적용된 자기장을 중화시킵니다. 필드의 변위 또는 억제는 시간이 지남에 따라 변경되지 않으므로 이 효과를 생성하는 전류(직류)는 시간이 지남에 따라 감소하지 않습니다.

샘플 표면 근처, 런던 깊이 내에서 자기장이 완전히 없는 것은 아닙니다. 각 초전도 물질은 고유한 자기 침투 깊이를 가지고 있습니다.

모든 완벽한 도체는 제로 저항에서 일반적인 전자기 유도로 인해 표면을 통과하는 자속의 변화를 방지합니다. 그러나 마이스너 효과는 이 현상과 다릅니다.

기존의 전도체가 영구적으로 적용된 자기장이 있는 상태에서 초전도 상태로 냉각되면 이 전이 중에 자속이 방출됩니다. 이 효과는 무한 전도성으로 설명할 수 없습니다.

이미 초전도 물질에 자석을 배치하고 부상시키는 것은 마이스너 효과를 나타내지 않는 반면, 초기에 고정된 자석이 나중에 임계 온도로 냉각된 초전도체에 의해 반발되는 경우 마이스너 효과가 나타납니다.

Meissner 상태에서 초전도체는 완벽한 반자성 또는 초반자성을 나타냅니다. 이것은 전체 자기장이 내부 깊은 곳에서 0에 매우 가깝고 표면에서 안쪽으로 먼 거리에 있음을 의미합니다. 자화율 -1.

반자성은 외부에서 가해지는 자기장의 방향과 정확히 반대 방향으로 물질이 자발적으로 자화하는 현상으로 정의되지만 초전도체와 일반 물질에서 반자성의 근본적인 기원은 매우 다릅니다.

일반 물질에서 반자성은 외부 자기장이 가해질 때 전자기적으로 유도된 전자의 원자핵 주위 궤도 회전의 직접적인 결과로 발생합니다. 초전도체에서 완벽한 반자성의 환상은 단지 궤도 스핀 때문이 아니라 인가된 자기장(마이스너 효과 자체)에 대해 흐르는 일정한 차폐 전류 때문에 발생합니다.

Meissner 효과의 발견은 1935년에 Fritz와 Heinz London의 초전도성에 대한 현상학적 이론으로 이어졌습니다. 이 이론은 저항의 소멸과 마이스너 효과를 설명합니다. 이를 통해 초전도성에 대한 최초의 이론적 예측을 할 수 있었습니다.

그러나 이 이론은 실험적 관찰만을 설명할 뿐, 초전도 특성의 거시적 기원을 규명할 수는 없다.이것은 나중에 1957년 Bardeen-Cooper-Schriefer 이론에 의해 성공적으로 수행되었으며, 이 이론에서 관통 깊이와 Meissner 효과가 모두 뒤따릅니다. 그러나 일부 물리학자들은 Bardeen-Cooper-Schrieffer 이론이 Meissner 효과를 설명하지 못한다고 주장합니다.

Meissner 효과는 다음과 같은 원리에 따라 적용됩니다. 초전도 물질의 온도가 임계값을 통과하면 주변의 자기장이 급격하게 변화하여 초전도 물질에 감긴 코일에 EMF 펄스가 발생한다. 그리고 제어 코일의 전류가 변하면 재료의 자기 상태를 제어할 수 있습니다. 이 현상은 특수 센서를 사용하여 매우 약한 자기장을 측정하는 데 사용됩니다.

cryotron은 Meissner 효과를 기반으로 하는 스위칭 장치입니다. 구조적으로 두 개의 초전도체로 구성됩니다. 니오븀 코일은 제어 전류가 흐르는 탄탈륨 막대 주위에 감겨 있습니다.

제어 전류가 증가함에 따라 자기장의 세기가 증가하여 탄탈륨이 초전도 상태에서 정상 상태로 넘어가게 되는데 이때 탄탈 와이어의 전도도와 제어 회로에서의 동작 전류는 비선형으로 변화하게 된다. 방법. 예를 들어 cryotrons를 기반으로 제어 밸브가 생성됩니다.