Недавно на канале вышли две занимательные статьи о явлении сверхпроводимости и материалах, в которых оно наблюдается (ссылки в конце статьи).
Но на нулевом электросопротивлении удивительные свойства таких материалов не заканчиваются. Пожалуй ещё более удивительными и интересными являются отношения сверхпроводников с магнитным полем.
А именно - полное выталкивание внешнего магнитного поля из объема сверхпроводника. Что это значит? Когда мы подносим магнит к куску обычного ферромагнитного материала (например к железу) в нём возникает определенная магнитная индукция. Другими словами, в присутствии источника внешнего магнитного поля (в данном случае магнита) железо намагничивается (неожиданно, правда?) и в результате, прилипает к тому самому магниту. В сверхпроводниках же напротив, при приложении внешнего магнитного поля (величиной меньше критического) не происходит абсолюно никакого намагничивания объема материала. Индукция остается равной 0, а магнитные потоки "выталкиваются" наружу. То есть сверхпроводник по сути является идеальным диамагнетиком. В результате наблюдается очень инересная ситуация, когда магнит парит над сверхпроводником. В интернете можно найти огромное количество разных вариантов демонстрации эффекта Мейснера. Вот одно из таких видео:
Наиболее захватывающим является то как эффект возникает именно в момент перехода материала в сверхпроводящее состояние. Именно этот эффект и получил название эффект Мейснера по фамилии немецкого учёного, который впервые его наблюдал. Если взять сверхпроводник при температуре выше критической (то есть до перехода в сверхпроводящее состояние) и положить на него магнит, то он будет спокойно себе лежать. Однако, если охладить сверхпроводник, например с помощью жидкого азота, то в момент перехода в сыерхпроводящее состояние произойдет выталкивание магнитного поля из объема и магнит начнёт левитировать над проводником. Именно этот момент - выталкивание магнитного поля (и как результат "взлёт" магнита) во время перехода из обычного в сверхпроводящее состояние и является эффектом Мейснера.
Объяснение.
Причиной является то что при переходе в сверхпроводящее состояние электрический ток в приповерхностном слое создает собственное магнитное поле, которое нейтрализует поле внешнее, и не даёт проникнуть ему в объем материала. То есть, строго говоря, магнитное поле в сверхпроводнике присутсвует, но только в очень тонком приповерхностном слое. Толщина этого слоя называется Лондоновская глубина (в честь братьев Лондонов, которые нашли объяснение эффекту Мейснера). Каждый сверхпроводящий материал обладает своей Лондоновской глубиной. Кроме того, в некоторых сверхпроводниках (которые называются сверхпроводники второго рода) происходит не полное выталкивание магнитного поля. В этом случае говорят, что проявляется частичный эффект Мейснера.
Применение.
Нужно понимать, что эффект Мейснера не используется в современных системах магнитной левитации (маглевах). Хотя такие идеи и проекты в разное время существовали. Там используют электромагниты (в том числе и сверхпроводящие, но эфект Мейснера сам по себе тут не при чём). Вообще его используют мало где. Например, в датчиках измерения сверхмалых магнитных полей и в таких любопытных устройствах как Криотроны.
Криотрон - это переключающее устройство для электротехники. В его составе как правила два сверхпроводника. Вокруг стержня из одного материала (обычно это тантал) делают обмотку из другого (ниобий). Всё это помещается в сосуд с хладогентом (жидкий гелий). За счёт изменения тока в обмотке меняется напряженность магнитного поля и токопроводящий стержень переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное и обратно (у тантала очень низкое критичесое поле, которое разрушает сверхпроводящее состояние), изменяя таким образом его сопротивление с нулевого на не нулевое. Достоинством криотрона является высокая скорость переключения и малая мощность управления, хотя есть и главный недостаток всех устройств с использованием сверхпроводников - необходимость сильного охлаждения.
Статьи про сверхпроводники:
