Meissner-Effekt - Meissner effect

Diagramm des Meissner-Effekts. Magnetische Feldlinien, dargestellt als Pfeile, werden von einem Supraleiter ausgeschlossen, wenn er unterhalb seiner kritischen Temperatur liegt.

Der Meissner-Effekt (oder Meissner-Ochsenfeld-Effekt ) ist die Austreibung eines Magnetfeldes aus einem Supraleiter beim Übergang in den supraleitenden Zustand, wenn er unter die kritische Temperatur abgekühlt wird. Diese Austreibung wird einen nahegelegenen Magneten abstoßen.

Die deutschen Physiker Walther Meissner und Robert Ochsenfeld entdeckten dieses Phänomen 1933 durch die Messung der Magnetfeldverteilung außerhalb supraleitender Zinn- und Bleiproben. Die Proben wurden in Gegenwart eines angelegten Magnetfelds unter ihre supraleitende Übergangstemperatur abgekühlt , woraufhin die Proben fast alle inneren Magnetfelder aufhoben. Sie entdeckten diesen Effekt nur indirekt, weil der magnetische Fluss durch einen Supraleiter konserviert wird: Wenn das innere Feld abnimmt, nimmt das äußere Feld zu. Das Experiment zeigte zum ersten Mal, dass Supraleiter mehr als nur perfekte Leiter sind und eine eindeutig definierende Eigenschaft des Supraleiterzustands liefern. Die Fähigkeit zum Ausstoßeffekt wird durch die Art des Gleichgewichts bestimmt, das durch die Neutralisation innerhalb der Elementarzelle eines Supraleiters gebildet wird.

Ein Supraleiter mit geringem oder keinem Magnetfeld in ihm befindet sich im Meissner-Zustand. Der Meissner-Zustand bricht zusammen, wenn das angelegte Magnetfeld zu stark ist. Supraleiter können in zwei Klassen eingeteilt werden, je nachdem, wie dieser Zusammenbruch auftritt.

Bei Supraleitern vom Typ I wird die Supraleitung abrupt zerstört, wenn die Stärke des angelegten Feldes über einen kritischen Wert H c ansteigt . Abhängig von der Geometrie der Probe kann man einen Zwischenzustand erhalten, der aus einem barocken Muster von Bereichen aus normalem Material besteht, das ein Magnetfeld trägt, gemischt mit Bereichen aus supraleitendem Material, das kein Feld enthält.

Bei Typ-II-Supraleitern führt das Anheben des angelegten Feldes über einen kritischen Wert H c 1 zu einem gemischten Zustand (auch als Wirbelzustand bekannt), in dem ein zunehmender magnetischer Fluss das Material durchdringt, jedoch kein Widerstand gegen die elektrische Strom , solange der Strom nicht zu groß ist. Bei einer zweiten kritischen Feldstärke H c 2 wird die Supraleitung zerstört. Der gemischte Zustand wird durch Wirbel im elektronischen Suprafluid verursacht, die manchmal als Fluxonen bezeichnet werden, da der von diesen Wirbeln getragene Fluss quantisiert ist . Die meisten reinen elementaren Supraleiter, mit Ausnahme von Niob und Kohlenstoff-Nanoröhrchen , sind vom Typ I, während fast alle unreinen und zusammengesetzten Supraleiter vom Typ II sind.

Erläuterung

Der Meissner-Effekt wurde von den Brüdern Fritz und Heinz London phänomenologisch erklärt , die zeigten, dass die elektromagnetische freie Energie in einem Supraleiter minimiert wird, vorausgesetzt

wobei H das Magnetfeld und λ die London-Eindringtiefe ist .

Diese Gleichung, die als London-Gleichung bekannt ist , sagt voraus, dass das Magnetfeld in einem Supraleiter exponentiell von seinem Wert an der Oberfläche abfällt . Dieser Ausschluss des Magnetfeldes ist eine Manifestation des Superdiamagnetismus , der während des Phasenübergangs vom Leiter zum Supraleiter entstanden ist, beispielsweise durch Absenkung der Temperatur unter die kritische Temperatur.

In einem schwach angelegten Feld (weniger als das kritische Feld, das die supraleitende Phase durchbricht) verdrängt ein Supraleiter fast den gesamten magnetischen Fluss, indem er elektrische Ströme in der Nähe seiner Oberfläche erzeugt, da das Magnetfeld H eine Magnetisierung M innerhalb der Londoner Eindringtiefe von der . induziert Oberfläche. Diese Oberflächenströme schirmen die innere Masse des Supraleiters gegen das von außen angelegte Feld ab. Da sich die Feldaustreibung oder -aufhebung mit der Zeit nicht ändert, klingen die diesen Effekt erzeugenden Ströme (die sogenannten Dauerströme oder Abschirmströme) nicht mit der Zeit ab.

Nahe der Oberfläche, innerhalb der Londoner Eindringtiefe , wird das Magnetfeld nicht vollständig aufgehoben. Jedes supraleitende Material hat seine eigene charakteristische Eindringtiefe.

Jeder perfekte Leiter verhindert jede Änderung des magnetischen Flusses, der durch seine Oberfläche fließt, aufgrund von gewöhnlicher elektromagnetischer Induktion ohne Widerstand. Der Meissner-Effekt unterscheidet sich jedoch davon: Wenn ein gewöhnlicher Leiter so abgekühlt wird, dass er bei einem konstant angelegten Magnetfeld in einen supraleitenden Zustand übergeht, wird der magnetische Fluss während des Übergangs ausgestoßen. Dieser Effekt kann nicht durch unendliche Leitfähigkeit erklärt werden, sondern nur durch die Londoner Gleichung. Die Platzierung und anschließende Levitation eines Magneten über einem bereits supraleitenden Material zeigt den Meissner-Effekt nicht, während ein zunächst stationärer Magnet später von einem Supraleiter abgestoßen wird, wenn er unter seine kritische Temperatur abgekühlt wird.

Die anhaltenden Ströme, die im Supraleiter vorhanden sind, um das Magnetfeld zu vertreiben, werden häufig aufgrund des Lenz-Gesetzes oder des Faraday-Gesetzes falsch verstanden. Ein Grund dafür, dass dies nicht der Fall ist, ist, dass keine Änderung des Flusses vorgenommen wurde, um den Strom zu induzieren. Eine andere Erklärung ist, dass es keine induzierte EMK im Supraleiter geben kann, da der Supraleiter keinen Widerstand erfährt. Der anhaltende Strom ist daher kein Ergebnis des Faradayschen Gesetzes.

Perfekter Diamagnetismus

Supraleiter im Meissner-Zustand weisen perfekten Diamagnetismus oder Superdiamagnetismus auf , was bedeutet, dass das gesamte Magnetfeld tief in ihnen (viele Eindringtiefen von der Oberfläche) sehr nahe Null ist. Das bedeutet , dass ihr Volumen magnetische Suszeptibilität ist = -1. Diamagnetik wird durch die Erzeugung einer spontanen Magnetisierung eines Materials definiert, die der Richtung eines angelegten Feldes direkt entgegengesetzt ist. Die grundlegenden Ursprünge des Diamagnetismus in Supraleitern und normalen Materialien sind jedoch sehr unterschiedlich. In normalen Materialien entsteht Diamagnetismus als direktes Ergebnis des Bahnspins von Elektronen um die Atomkerne, der durch Anlegen eines angelegten Feldes elektromagnetisch induziert wird. Bei Supraleitern entsteht die Illusion eines perfekten Diamagnetismus durch anhaltende Abschirmströme, die fließen, um dem angelegten Feld entgegenzuwirken (Meißner-Effekt); nicht nur der Bahnspin.

Folgen

Die Entdeckung des Meissner-Effekts führte 1935 zur phänomenologischen Theorie der Supraleitung von Fritz und Heinz London . Diese Theorie erklärte den widerstandslosen Transport und den Meissner-Effekt und ermöglichte erste theoretische Vorhersagen zur Supraleitung. Diese Theorie erklärte jedoch nur experimentelle Beobachtungen – sie erlaubte nicht, die mikroskopischen Ursprünge der supraleitenden Eigenschaften zu identifizieren. Dies gelang 1957 mit der BCS-Theorie , aus der sich die Eindringtiefe und der Meissner-Effekt ergeben. Einige Physiker argumentieren jedoch, dass die BCS-Theorie den Meissner-Effekt nicht erklärt.

Paradigma für den Higgs-Mechanismus

Der Meissner-Supraleitungseffekt dient als wichtiges Paradigma für den Erzeugungsmechanismus einer Masse M (dh eines reziproken Bereichs , wobei h die Planck-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit ist ) für ein Eichfeld . Tatsächlich ist diese Analogie ein abelsches Beispiel für den Higgs-Mechanismus , der die Massen der elektroschwachen
W±
und
Z
Teilchen in der Hochenergiephysik messen . Die Länge ist identisch mit der Londoner Eindringtiefe in der Theorie der Supraleitung .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Einstein, A. (1922). „Theoretische Bemerkung zur Supraleitung von Metallen“. arXiv : physik/0510251 .
  • London, FW (1960). „Makroskopische Theorie der Supraleitung“. Supraflüssigkeiten . Struktur von Materiereihen. 1 (Überarbeitete 2. Aufl.). Dover . ISBN 978-0-486-60044-4.Von dem Mann, der den Meissner-Effekt erklärt hat. S. 34–37 gibt eine technische Diskussion des Meissner-Effekts für eine supraleitende Kugel.
  • Saslow, WM (2002). Elektrizität, Magnetismus und Licht . Akadem. ISBN 978-0-12-619455-5. S. 486–489 gibt eine einfache mathematische Diskussion der Oberflächenströme, die für den Meissner-Effekt verantwortlich sind, im Fall eines langen Magneten, der über einer supraleitenden Ebene schwebt.
  • Tinkham, M. (2004). Einführung in die Supraleitung . Dover Books on Physics (2. Aufl.). Dover. ISBN 978-0-486-43503-9. Eine gute technische Referenz.

Externe Links