Przegląd zjawiska

Efekt Meissnera to podstawowa cecha nadprzewodników polegająca na tym, że po przejściu materiału w stan nadprzewodzący z jego wnętrza zostaje wypchnięte pole magnetyczne. W praktyce oznacza to, że wewnętrzne natężenie pola magnetycznego w grubym, idealnym nadprzewodniku jest praktycznie zerowe — zamiast przepuszczać zewnętrzne pole, nadprzewodnik wytwarza prądy powierzchniowe, które przeciwdziałają temu polu.

Charakterystyka i mechanizm

Zjawisko nie polega jedynie na idealnej przewodności (braku oporu), lecz jest konsekwencją sekundarnego efektu kwantowego związanym z kondensatem par Coopera i opisem mezofazowym nadprzewodnictwa. Na granicy między obszarem zewnętrznym a wnętrzem nadprzewodnika pojawiają się prądy powierzchniowe, które generują pole przeciwnie zwrócone do pola zewnętrznego. W rezultacie pole wewnątrz maleje wykładniczo w skali długości zasięgu pola, zwanej długością Londona.

Historia odkrycia

Efekt został eksperymentalnie wykazany w 1933 roku przez Waltera Meissnera i Roberta Ochsenfelda. Ich obserwacja, że pole magnetyczne znika z wnętrza próbki po jej schłodzeniu do stanu nadprzewodzącego, była przełomowa: pokazała, iż nadprzewodnictwo to nie tylko doskonała przewodność elektryczna, ale też odrębna faza elektromagnetyczna z własnymi regułami.

Praktyczne przykłady i zastosowania

Najbardziej znane demonstracje efektu Meissnera to lewitacja magnetyczna i stabilizacja położenia magnesów nad chłodzonym nadprzewodnikiem. W laboratoriach umieszcza się płytę nadprzewodnikową w polu stałego magnesu i po ochłodzeniu obserwuje się uniesienie magnesu. Zjawisko to wykorzystuje się w prototypach łożysk bezstykowych, eksperymentalnych systemach transportu magnetycznego oraz w urządzeniach, gdzie pożądana jest beztarciowa stabilizacja pola.

Ważne rozróżnienia i uwagi

  • Nie wszystkie nadprzewodniki wypychają pole całkowicie — nadprzewodniki typu II dopuszczają przenikanie pola w postaci wirujących linii strumienia (wirostruktury) powyżej określonej wartości pola krytycznego.
  • Efekt Meissnera odróżnia nadprzewodnik od idealnego przewodnika: ten ostatni w teorii może zatrzymać zmiany pola, ale nie pokazuje aktywnego wypychania pola przy schładzaniu.
  • Efekt zależy od geometrii próbki, temperatury i natężenia pola zewnętrznego — w zbyt silnym polu nadprzewodnictwo ulega zniszczeniu.
  • Długość, na jaką pole zanika wewnątrz nadprzewodnika, jest opisywana długością Londona i może być mierzona eksperymentalnie.

Jeśli chcesz przeczytać więcej o naturze pola magnetycznego, zobacz więcej o polu magnetycznym. Dla uzupełnienia wiedzy o nadprzewodnikach i ich typach przydatne może być więcej materiałów technicznych.