efek Meissner dan penggunaannya

Efek Meissner atau efek Meissner-Oxenfeld terdiri dari perpindahan medan magnet dari sebagian besar superkonduktor selama transisinya ke keadaan superkonduktor. Fenomena ini ditemukan pada tahun 1933 oleh fisikawan Jerman Walter Meissner dan Robert Oxenfeld, yang mengukur distribusi medan magnet di luar sampel timah dan timah superkonduktor.

Walter Meissner

Dalam percobaan, superkonduktor, dengan adanya medan magnet terapan, didinginkan di bawah suhu transisi superkonduktornya sampai hampir semua medan magnet internal sampel disetel ulang. Efeknya terdeteksi oleh para ilmuwan hanya secara tidak langsung, karena fluks magnet superkonduktor dipertahankan: ketika medan magnet di dalam sampel berkurang, medan magnet luar meningkat.

Dengan demikian, percobaan dengan jelas menunjukkan untuk pertama kalinya bahwa superkonduktor tidak hanya konduktor yang ideal, tetapi juga menunjukkan sifat unik dari kondisi superkonduktor.Kemampuan untuk menggeser medan magnet ditentukan oleh sifat kesetimbangan yang dibentuk oleh netralisasi di dalam sel satuan superkonduktor.

Superkonduktor dengan sedikit atau tanpa medan magnet dikatakan dalam keadaan Meissner. Tetapi keadaan Meissner rusak ketika medan magnet yang diterapkan terlalu kuat.

Perlu dicatat di sini bahwa superkonduktor dapat dibagi menjadi dua kelas tergantung pada bagaimana pelanggaran ini terjadi Pada superkonduktor tipe pertama, superkonduktivitas tiba-tiba dilanggar ketika kekuatan medan magnet yang diterapkan menjadi lebih tinggi dari nilai kritis Hc .

Bergantung pada geometri sampel, keadaan perantara dapat diperoleh, mirip dengan pola yang sangat indah dari daerah material normal yang membawa medan magnet yang bercampur dengan daerah bahan superkonduktor yang tidak memiliki medan magnet.

Pada superkonduktor tipe II, meningkatkan kekuatan medan magnet yang diterapkan ke nilai kritis pertama Hc1 mengarah ke keadaan campuran (juga dikenal sebagai keadaan pusaran), di mana semakin banyak fluks magnet yang menembus material, tetapi tidak ada hambatan terhadap arus listrik. kecuali arus ini tidak terlalu tinggi.

Pada nilai kekuatan kritis kedua Hc2 keadaan superkonduktor hancur. Keadaan campuran disebabkan oleh vortisitas dalam cairan elektron superfluida, yang kadang-kadang disebut flukson (flukson-kuantum fluks magnet) karena fluks yang dibawa oleh vortisitas ini terkuantisasi.

Superkonduktor unsur paling murni, dengan pengecualian niobium dan karbon nanotube, adalah tipe pertama, sedangkan hampir semua pengotor dan superkonduktor kompleks adalah tipe kedua.

Secara fenomenologis, efek Meissner dijelaskan oleh saudara Fritz dan Heinz London, yang menunjukkan bahwa energi bebas elektromagnetik dari superkonduktor diminimalkan dengan syarat:

Kondisi ini disebut persamaan London. Dia meramalkan bahwa medan magnet dalam superkonduktor meluruh secara eksponensial dari nilai apa pun yang dimilikinya di permukaan.

Jika medan magnet lemah diterapkan, maka superkonduktor memindahkan hampir semua fluks magnet. Hal ini disebabkan munculnya arus listrik di dekat permukaannya Medan magnet arus permukaan menetralkan medan magnet yang diterapkan di dalam volume superkonduktor. Karena perpindahan atau penekanan medan tidak berubah dari waktu ke waktu, ini berarti arus yang menciptakan efek ini (arus searah) tidak berkurang seiring waktu.

Di dekat permukaan sampel, di kedalaman London, medan magnet tidak sepenuhnya hilang. Setiap bahan superkonduktor memiliki kedalaman penetrasi magnet tersendiri.

Setiap konduktor sempurna akan mencegah perubahan fluks magnet yang melewati permukaannya karena induksi elektromagnetik normal pada resistansi nol. Namun efek Meissner berbeda dengan fenomena ini.

Ketika konduktor konvensional didinginkan ke keadaan superkonduktor dengan adanya medan magnet yang diterapkan secara permanen, fluks magnet dibuang selama transisi ini. Efek ini tidak dapat dijelaskan dengan konduktivitas tak terbatas.

Penempatan dan levitasi selanjutnya dari magnet pada bahan yang sudah superkonduktor tidak menunjukkan efek Meissner, sedangkan efek Meissner diperlihatkan jika magnet yang awalnya diam kemudian ditolak oleh superkonduktor yang didinginkan hingga suhu kritis.

Dalam keadaan Meissner, superkonduktor memperlihatkan diamagnetisme sempurna atau superdiamagnetisme. Ini berarti medan magnet total sangat dekat dengan nol jauh di dalamnya, jarak yang sangat jauh ke dalam dari permukaan. Kerentanan magnetik -1.

Diamagnetisme didefinisikan oleh pembentukan magnetisasi spontan suatu material yang persis berlawanan dengan arah medan magnet yang diterapkan secara eksternal.Tetapi asal mula diamagnetisme dalam superkonduktor dan material normal sangat berbeda.

Dalam bahan biasa, diamagnetisme terjadi sebagai akibat langsung dari rotasi orbital elektron yang diinduksi secara elektromagnetik di sekitar inti atom ketika medan magnet eksternal diterapkan. Dalam superkonduktor, ilusi diamagnetisme sempurna muncul karena arus pelindung konstan yang mengalir melawan medan yang diterapkan (efek Meissner itu sendiri), bukan hanya karena putaran orbit.

Penemuan efek Meissner pada tahun 1935 mengarah pada teori superkonduktivitas fenomenologis oleh Fritz dan Heinz London. Teori ini menjelaskan hilangnya resistensi dan efek Meissner. Ini memungkinkan kami untuk membuat prediksi teoretis pertama tentang superkonduktivitas.

Namun, teori ini hanya menjelaskan pengamatan eksperimental, tetapi tidak memungkinkan identifikasi asal makroskopik dari sifat superkonduktor.Ini berhasil dilakukan kemudian, pada tahun 1957, oleh teori Bardeen-Cooper-Schriefer, yang darinya kedalaman penetrasi dan efek Meissner mengikuti. Namun, beberapa fisikawan berpendapat bahwa teori Bardeen-Cooper-Schrieffer tidak menjelaskan efek Meissner.

Efek Meissner diterapkan sesuai dengan prinsip berikut. Ketika suhu bahan superkonduktor melewati nilai kritis, medan magnet di sekitarnya berubah secara tiba-tiba, menghasilkan pulsa EMF pada kumparan yang melilit bahan tersebut. Dan ketika arus koil kontrol berubah, keadaan magnetik material dapat dikontrol. Fenomena ini digunakan untuk mengukur medan magnet ultra-lemah menggunakan sensor khusus.

Cryotron adalah perangkat switching berdasarkan efek Meissner. Secara struktural, ini terdiri dari dua superkonduktor. Kumparan niobium dililitkan di sekitar batang tantalum yang melaluinya arus kontrol mengalir.

Saat arus kontrol meningkat, kekuatan medan magnet meningkat dan tantalum berpindah dari keadaan superkonduktor ke keadaan biasa.Dalam hal ini, konduktivitas kawat tantalum dan arus operasi dalam rangkaian kontrol berubah secara non-linear tata krama. Atas dasar cryotron, misalnya, katup yang dikendalikan dibuat.