ในปี 1933 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Robert Ochsenfeld และ Walther Meißner ได้ทำการค้นพบที่แปลกใหม่ที่เรียกว่า Meissner Effect การสืบสวนของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการวัดการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กรอบๆ ตัวอย่างตัวนำยิ่งยวดของดีบุกและตะกั่ว เมื่อทำให้ตัวอย่างเหล่านี้เย็นลงต่ำกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านของตัวนำยิ่งยวดและปล่อยให้พวกมันสัมผัสกับสนามแม่เหล็ก Ochsenfeld และ Meißner ได้สังเกตเห็นปรากฏการณ์ที่น่าทึ่ง สนามแม่เหล็กภายนอกตัวอย่างเพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งชี้ถึงการขับไล่สนามแม่เหล็กออกจากภายในตัวอย่าง ปรากฏการณ์นี้ซึ่งตัวนำยิ่งยวดแสดงสนามแม่เหล็กเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย เรียกว่าสถานะไมส์เนอร์ อย่างไรก็ตาม สถานะนี้ไวต่อการพังทลายภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กแรงสูง บทความนี้จะให้ภาพรวมของ Meissner Effect กลไก และการนำไปใช้งานจริง
Meissner Effect คืออะไร?
เอฟเฟกต์ Meissner คือการผลักสนามแม่เหล็กออกจาก a ตัวนำยิ่งยวด ในระหว่างการเปลี่ยนสถานะเป็นตัวนำยิ่งยวดเมื่อใดก็ตามที่ถูกทำให้เย็นลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤต การขับไล่สนามแม่เหล็กนี้จะต้านทานแม่เหล็กที่อยู่ใกล้เคียง และสถานะ Meissner จะพังทลายลงเมื่อใดก็ตามที่สนามแม่เหล็กที่ใช้นั้นแรงมาก
ตัวนำยิ่งยวดมีจำหน่ายในสองประเภทขึ้นอยู่กับการสลายที่เกิดขึ้นเช่นประเภท I และประเภท II ประเภทที่ 1 เป็นตัวนำยิ่งยวดที่เป็นธาตุที่บริสุทธิ์ที่สุด นอกเหนือจากท่อนาโนคาร์บอนและไนโอเบียม ในขณะที่ประเภทที่ 2 เป็นตัวนำยิ่งยวดที่เป็นสารประกอบและไม่บริสุทธิ์เกือบทั้งหมด
ผลกระทบ Meissner ในตัวนำยิ่งยวด
เมื่อใดก็ตามที่ตัวนำยิ่งยวดถูกทำให้เย็นลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤติ มันจะไล่สนามแม่เหล็กออกไป และจะไม่ปล่อยให้สนามแม่เหล็กเข้าไปข้างใน ดังนั้น ปรากฏการณ์ภายในตัวนำยิ่งยวดนี้จึงเรียกว่าปรากฏการณ์ Meissner
เมื่อใดก็ตามที่วัสดุตัวนำยิ่งยวดถูกทำให้เย็นลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤติ วัสดุนั้นจะเปลี่ยนเป็นสภาวะตัวนำยิ่งยวด ดังนั้นอิเล็กตรอนของวัสดุจึงก่อตัวเป็นคู่เรียกว่า คู่คูเปอร์. คู่เหล่านี้เคลื่อนที่โดยไม่มีแรงต้านตลอดทั้งวัสดุ ในเวลาเดียวกัน วัสดุนี้มีไดอะแมกเนติซึมในอุดมคติเพื่อขับไล่สนามแม่เหล็ก
การผลักกันนี้อาจทำให้เส้นสนามแม่เหล็กโค้งงอโดยประมาณตัวนำยิ่งยวดเพื่อสร้างกระแสพื้นผิวที่ยกเลิกสนามแม่เหล็กภายนอกในวัสดุอย่างแม่นยำ ดังนั้นสนามแม่เหล็กจึงถูกดีดออกจากตัวนำยิ่งยวดอย่างมีประสิทธิภาพและเกิดเอฟเฟกต์ Meissner
ตัวอย่างเอฟเฟกต์ Meissner แสดงในรูปต่อไปนี้ สถานะ Meissner นี้จะแตกเมื่อใดก็ตามที่สนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้นเกินกว่าค่าคงที่ และตัวอย่างจะมีพฤติกรรมเหมือนตัวนำปกติ
ดังนั้นค่าสนามแม่เหล็กที่แน่นอนซึ่งตัวนำยิ่งยวดกลับมาสู่สภาวะปกติเกินกว่าค่านี้จึงเรียกว่าสนามแม่เหล็กวิกฤต ในที่นี้ค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก เมื่ออุณหภูมิภายใต้อุณหภูมิวิกฤติลดลง ค่าสนามแม่เหล็กวิกฤตจะเพิ่มขึ้น ด้านล่าง กราฟเอฟเฟกต์ Meissner แสดงการเปลี่ยนแปลงภายในสนามแม่เหล็กวิกฤตผ่านอุณหภูมิ
ที่มา
ข้อมูลสำคัญสองชิ้นที่ใช้ในการจัดเตรียมทางคณิตศาสตร์ ที่มาของปรากฏการณ์ Meissner เป็น; หลักการอนุรักษ์พลังงานและความสัมพันธ์หลักระหว่างสนามแม่เหล็กและกระแสไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าคือแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงภายในฟลักซ์แม่เหล็กตลอดวงจรปิด EMF หรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าตามกฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ภายในวงจรปิดจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กทั่วทั้งวงจร ดังนั้น,
ε = -dΦ/dt
ด้วยการใช้ความสัมพันธ์ข้างต้น เราสามารถสรุปได้ว่าเมื่อใดก็ตามที่มีการเปลี่ยนวัสดุจากสภาวะปกติไปเป็นสภาวะตัวนำยิ่งยวด ฟลักซ์แม่เหล็กใดๆ ‘ เอฟอี ที่มีอยู่เดิมในวัสดุควรมีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงนี้จะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าและสร้างกระแสคัดกรองบนพื้นผิววัสดุ ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงภายในฟลักซ์คือสิ่งที่บังคับให้ Meissner Effect ดีดสนามแม่เหล็กภายนอกออก
Flux Pinning กับเอฟเฟกต์ Meissner
การทำความเข้าใจความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการตรึงฟลักซ์และเอฟเฟกต์ Meissner ช่วยเพิ่มความเข้าใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดอย่างแน่นอน และบอกเราว่าความเป็นตัวนำยิ่งยวดเป็นแรงโต้ตอบที่หลากหลายและสภาวะพิเศษของสสาร ความแตกต่างระหว่าง Flux Pinning กับ Meissner Effect มีการอธิบายไว้ด้านล่าง
|
การปักหมุดฟลักซ์ |
ไมส์เนอร์เอฟเฟ็กต์ |
| Flux pinning เป็นปรากฏการณ์ประเภทหนึ่งที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กกับตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิสูง | เอฟเฟกต์ Meissner คือการผลักฟลักซ์แม่เหล็กเมื่อใดก็ตามที่วัสดุกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดภายในสนามแม่เหล็ก |
| การปักหมุดฟลักซ์เรียกอีกอย่างว่าการล็อคควอนตัม | ปรากฏการณ์ Meissner มีอีกชื่อหนึ่งว่าทฤษฎี Bardeen-Cooper-Schrieffer |
| Flux Pinning มีข้อจำกัดในการกักเก็บสนามแม่เหล็ก
|
สิ่งนี้จะอธิบายการผลักสนามแม่เหล็กออกจากตัวนำยิ่งยวดโดยสมบูรณ์ |
| Flux Pinning ใช้กับตัวนำยิ่งยวดทั้งหมด
|
เอฟเฟกต์ Meissner ใช้กับตัวนำยิ่งยวดประเภท II เท่านั้น |
| Flux Pinning อาจทำให้เกิดประสิทธิภาพในการกระตุ้นแม่เหล็กเนื่องจากการเคลื่อนที่ของเส้นฟลักซ์ | ผลกระทบนี้แสดงให้เห็นถึงไดอะแมกเนติกในอุดมคติในอุณหภูมิวิกฤติ |
ผลกระทบ Paramagnetic Meissner ในตัวนำยิ่งยวดขนาดเล็ก
ผลกระทบนี้เป็นคุณสมบัติพื้นฐานที่สุดของตัวนำยิ่งยวดและแสดงถึงความต้านทานเป็นศูนย์ ในปัจจุบัน การทดลองหลายครั้งได้เปิดเผยว่าตัวอย่างตัวนำยิ่งยวดบางตัวอาจดึงดูดสนามแม่เหล็กซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์พาราแมกเนติก Meissner เอฟเฟกต์นี้เป็นฟังก์ชันการสั่นของสนามแม่เหล็กซึ่งจะมาแทนที่เอฟเฟกต์ Meissner ทั่วไปที่อยู่เหนือสนามแม่เหล็กใดสนามหนึ่งเมื่อใดก็ตามที่ควอนตัมฟลักซ์จำนวนมากถูกแช่แข็งในตัวนำยิ่งยวด
พบว่าสภาวะพาราแมกเนติกสามารถแพร่กระจายได้ และสภาวะ Meissner กลับคืนมาด้วยเสียงภายนอก ดังนั้นเอฟเฟกต์พาราแมกเนติก Meissner จึงสัมพันธ์กับความเป็นตัวนำยิ่งยวดของพื้นผิว ดังนั้นจึงแสดงถึงคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดทั่วไป ด้วยการลดอุณหภูมิ ฟลักซ์ที่จับได้ที่สนามวิกฤตของพื้นผิวในฝาครอบตัวนำยิ่งยวดจะลดลงเป็นปริมาตรที่น้อยลงโดยปล่อยให้ฟลักซ์เพิ่มเติมเข้าสู่พื้นผิว
การใช้งาน
ที่ การประยุกต์เอฟเฟ็กต์ Meissner รวมถึงสิ่งต่อไปนี้
- ข้อมูลนี้ใช้ในการลอยแบบควอนตัมหรือการจับควอนตัมเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการขนส่งที่กำลังจะเกิดขึ้น และการทำงานของ SQUIDs เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงทางแม่เหล็กอย่างละเอียด
- เอฟเฟกต์นี้ใช้ภายในการลอยด้วยแม่เหล็ก ซึ่งหมายความว่าร่างกายสามารถแขวนลอยได้โดยไม่ต้องมีสิ่งค้ำยันใดๆ นอกเหนือจากสนามแม่เหล็ก
- การใช้งานที่เป็นไปได้ของผลกระทบนี้ส่วนใหญ่ประกอบด้วย; ยานพาหนะขนส่งที่ลอยด้วยแม่เหล็ก ตัวยึดที่มีการสั่นสะเทือนต่ำ แบริ่งไร้แรงเสียดทาน ฯลฯ
- เอฟเฟกต์นี้ใช้ในตัวนำยิ่งยวดเพื่อสร้างเกราะแม่เหล็กที่ปกป้องอุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อนจากการรบกวนของแม่เหล็ก
- เอฟเฟกต์นี้ช่วยให้สามารถสร้างแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ทรงพลังสำหรับการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กและการใช้งานเครื่องเร่งอนุภาค
- ข้อมูลนี้ใช้ในการส่งผลกระทบในสาขาต่างๆ เช่น การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การสร้างภาพทางการแพทย์ การขนส่ง ฯลฯ
ใครเป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์ Seebeck?
ปรากฏการณ์ซีเบคถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ “โธมัส โยฮันน์ ซีเบค” ในปี พ.ศ. 2364
เหตุใดผลของ Seebeck จึงมีความสำคัญ
เอฟเฟกต์ Seebeck มีประโยชน์ในการวัดอุณหภูมิด้วยความไวและความแม่นยำอย่างมากในการผลิตพลังงานไฟฟ้าสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
Seebeck effect คืออะไร และใช้ในการวัดอุณหภูมิได้อย่างไร
เอฟเฟกต์ซีเบคคือเหตุการณ์ที่การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิระหว่างตัวนำไฟฟ้าสองตัว (หรือ) เซมิคอนดักเตอร์ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างสารทั้งสอง เมื่อได้รับความร้อนจากหนึ่งในทั้งสองแล้ว ตัวนำ (หรือ) เซมิคอนดักเตอร์ จากนั้นอิเล็กตรอนที่ให้ความร้อนจะไหลไปยังตัวนำความเย็น (หรือ) เซมิคอนดักเตอร์ ความแตกต่างของอุณหภูมิทำให้เกิด EMF ที่เรียกว่า Seebeck effect
ทำไม Seebeck ถึงเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ?
ค่าสัมประสิทธิ์ Seebeck เป็นค่าบวกเหนือช่วงอุณหภูมิที่วัดได้ ซึ่งแสดงประสิทธิภาพของประเภท p และจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ค่าการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นเมื่อใดก็ตามที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น ซึ่งบ่งบอกถึงประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์
Meissner effect คืออะไร และใช้ในการลอยตัวด้วยแม่เหล็กอย่างไร
ผลกระทบนี้ทำให้เกิดการลอยตัวของแม่เหล็กโดยทำให้ตัวนำที่ดีอยู่ห่างจากสนามแม่เหล็กทุกครั้งที่กลายเป็นตัวนำยิ่งยวด เมื่อตัวนำเย็นลงภายใต้อุณหภูมิวิกฤติ สนามแม่เหล็กจะถูกไล่ออกเพื่อสร้างเอฟเฟกต์ลอยได้
เอฟเฟกต์ Meissner ที่แสดงให้เห็นว่าตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุไดแม่เหล็กที่สมบูรณ์แบบคืออะไร
ตัวนำยิ่งยวดภายในสถานะ Meissner แสดงไดอะแมกเนติซึมในอุดมคติ (หรือ) ไดอะแมกเนติกยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าตัวนำยิ่งยวดมีความไวต่อสนามแม่เหล็ก -1
อย่างนี้นี่เอง ภาพรวมของเอฟเฟกต์ Meissner ที่มา ความแตกต่าง และการนำไปใช้ นี่คือการขับไล่ของสนามแม่เหล็กจากการเปลี่ยนตัวนำยิ่งยวดไปเป็นสถานะตัวนำยิ่งยวดที่ต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติ ผลกระทบภายในตัวนำยิ่งยวดนี้เกี่ยวข้องกับการสร้างกระแสไฟฟ้าที่พื้นผิวซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กต้านเพื่อลบล้างสนามแม่เหล็กภายนอก นี่คือคำถามสำหรับคุณ ตัวนำยิ่งยวดคืออะไร?
