Демонстрация эффекта Мейснера: сверхпроводники и левитация

Эффект Мейснера, также называемый эффектом Мейснера-Оксенфельда, заключается в полном исчезновении потока магнитного поля внутри сверхпроводящего материала ниже его критической температуры. Он был открыт Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом в 1933 году.

Мейснер и Оксенфельд обнаружили, что магнитное поле полностью нейтрализуется внутри сверхпроводящего материала и что силовые линии магнитного поля вытесняются изнутри материала, поэтому он ведет себя как идеальный диамагнитный материал.

Эффект Мейснера - одно из свойств, определяющих сверхпроводимость. Этот эффект используется для демонстрации явления магнитной левитации сверхпроводников над магнитами, а также определяет понятие сверхпроводимости: сверхпроводник - это материал, в котором ниже определенной температуры электрическое сопротивление исчезает и возникает эффект Мейснера.

Опыт, демонстрирующий эффект Мейснера в сверхпроводниках

Этот эффектный опыт, после открытия высокотемпературной сверхпроводимости был продемонстрирован на многих физических семинарах в 80-90-х годах XX века. Он позволяет просто и убедительно доказать существование сверхпроводников с критической температурой, значительно превышающей температуру кипения жидкого азота при атмосферном давлении (77 К).

В отличие от низкотемпературных сверхпроводников, новые материалы представляют собой не металлы, а смеси, напоминающие керамику. Рекордсмен из высокотемпературных проводников состоит из таллия, меди, бария, кальция, стронция и кислорода (критическая температура - 138 кельвинов, или минус 135,15 градуса по Цельсию).

Хотя на первый взгляд минус 135 градусов по Цельсию тоже ужасный холод, достичь таких температур намного проще. Хладагентом может быть жидкий азот. 

Опыт, о котором пойдет речь, демонстрирует левитацию (парение) сверхпроводника над поверхностью постоянного магнита. Впервые аналогичный опыт был поставлен при температуре жидкого гелия в 1945 г. профессором Московского государственного университета В. К. Аркадьевым. Основан он на эффекте взаимного отталкивания диамагнетика (сверхпроводника) и ферромагнетика (постоянного магнита).

Вы опускаете в чашу закрепленный на цепочке небольшой брусковый магнит. Ниже… Еще ниже. Постепенно словно какая‑то неведомая сила подхватывает магнитик, и он уже самостоятельно «парит» над чашей. В чем причина этого явления? Магнитное поле магнитика индуцирует незатухающий ток на поверхности сверхпроводящей свинцовой чаши, который в свою очередь возбуждает магнитное поле. По закону Ленца это поле стремится оттолкнуть магнитик. Когда сила отталкивания сравнивается с силой тяжести, магнитик начинает парить в воздухе. Этот остроумный эксперимент впервые в мире был проведен в 1945 году профессором Московского государственного университета Владимиром Константиновичем Аркадьевым.

"Штурм абсолютного нуля" (Бурмин Генрих Самойлович)

В феврале 1987 г. исследовательские группы (Хьюстонский и Алабамский университеты, США) обнаружили сверхпроводимость в керамиках из иттрия, бария, меди и кислорода с критической температурой Тс = 93 К. 

Важность мировой научной сенсации — обнаружения высокотемпературной сверхпроводимости — подтверждает то, что авторам открытия Дж. Беднорцу и К. Мюллеру присуждена Нобелевская премия по физике за 1987 г. Впервые за всю историю Нобелевских премий мировое научное сообщество признало и оценило открытие с такой быстротой.

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости позволило продемонстрировать этот эффект при комнатной температуре. Делается это следующим образом. Образец (брусочек, шайбочка или шарик) из сверхпроводящей керамики охлаждается до 77 К посредством погружения в жидкий азот, а затем быстро помещается над постоянным магнитом, находящимся при комнатной температуре.

Левитация на высоте около 5 — 15 мм от поверхности магнита наблюдается до тех пор, пока образец не нагреется до температуры порядка критической. Занимает это, как правило, от 30 до 50 секунд, а если в образце есть полость, куда попадает жидкий азот, то и 2 — 3 минуты. Сверхпроводимость разрушается, если плотность тока, текущего по сверхпроводнику, оказывается выше критической критической плотности тока jc.

Как сверхпроводимость может заставить магнит левитировать над куском керамики (видео) 

Демонстрация эффекта Мейснера во время лекции в Гарварде:

Постоянный магнит начинает парить над керамическим материалом, когда он охлаждается и переходит в сверхпроводящее состояние. Магнит остается в воздухе до тех пор, пока керамика не нагреется выше критической температуры. Керамический материал представляет собой 25-миллиметровый диск из оксида иттрия-бария-меди (YBa2Cu3O7, также обычно называемого «YBCO»).

YBCO имеет критическую температуру 90 К и охлаждается жидким азотом, который кипит при 77 К. Магнит чуть ниже 5 мм с каждой стороны и весит около 0,8 г. Магнит способен левитировать из-за его взаимодействия с постоянными электрическими токами, которые вытесняют внешнее магнитное поле изнутри сверхпроводящего YBCO. 

Сверхпроводник YBCO - сверхпроводник, работающий при температуре жидкого азота

Слиток диаметром примерно 25 мм и толщиной от 6 до 9 мм позволяет продемонстрировать эффект Мейснера в малых масштабах с использованием магнитов размером до 5 мм. Оксид иттрия-бария-меди - это особая керамика, получаемая спеканием порошка и соответствующей физико-химической обработкой.

Как и вся керамика, она чувствительна к ударам и тепловым ударам. Это пористый материал, чувствительный к влаге. После распаковки его нужно хранить в герметичном и сухом контейнере. Материал проявляет сверхпроводящие свойства при температурах ниже -190 ° C.

Демонстрационный комплект сверхпроводимости CSDK1:

Здесь тонкий слой сверхпроводника (толщиной ~ 1 мкм) нанесен на сапфировую пластину:

Еще одна демонстрация эффекта Мейснера со сверхпроводниками и магнитами:

Исследованием уже известных и поиском новых высокотемпературных сверхпроводников сейчас занимаются во всех ведущих научных центрах и лабораториях. По этой теме опубликовано тысячи статей и отчетов, проводятся конференции, посвященные высокотемпературной сверхпроводимости. 

Не исключено, что мы скороо станем свидетелями открытия высокотемпературных сверхпроводников следующего поколения, не требующих охлаждения для перехода в сверхпроводящее состояние, которые окажутся сверхпроводниками при температуре 273,15 Кельвина, или ноль по шкале Цельсия.

Смотрите также: Магнитная левитация - что это такое и как это возможно

Андрей Повный