Meissner प्रभाव आणि त्याचा वापर

Meissner इफेक्ट किंवा Meissner-Oxenfeld इफेक्टमध्ये सुपरकंडक्टिंग अवस्थेत संक्रमणादरम्यान सुपरकंडक्टरच्या मोठ्या भागातून चुंबकीय क्षेत्राचे विस्थापन होते. ही घटना 1933 मध्ये जर्मन भौतिकशास्त्रज्ञ वॉल्टर मेस्नर आणि रॉबर्ट ऑक्सनफेल्ड यांनी शोधून काढली, ज्यांनी टिन आणि लीडच्या सुपरकंडक्टिंग नमुन्यांच्या बाहेर चुंबकीय क्षेत्राचे वितरण मोजले.

वॉल्टर मेइसनर

प्रयोगात, सुपरकंडक्टर, लागू चुंबकीय क्षेत्राच्या उपस्थितीत, जवळजवळ सर्व नमुन्यांचे अंतर्गत चुंबकीय क्षेत्र रीसेट होईपर्यंत त्यांच्या सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमानाच्या खाली थंड केले गेले. शास्त्रज्ञांनी हा परिणाम केवळ अप्रत्यक्षपणे शोधला, कारण सुपरकंडक्टरचा चुंबकीय प्रवाह जतन केला जातो: जेव्हा नमुन्यातील चुंबकीय क्षेत्र कमी होते तेव्हा बाह्य चुंबकीय क्षेत्र वाढते.

अशाप्रकारे, प्रयोगाने प्रथमच हे स्पष्टपणे दर्शविले आहे की सुपरकंडक्टर हे केवळ आदर्श कंडक्टरच नाहीत तर ते सुपरकंडक्टिंग अवस्थेचा एक अद्वितीय परिभाषित गुणधर्म देखील प्रदर्शित करतात.चुंबकीय क्षेत्र बदलण्याची क्षमता सुपरकंडक्टरच्या युनिट सेलच्या आत तटस्थीकरणाद्वारे तयार केलेल्या समतोलाच्या स्वरूपाद्वारे निर्धारित केली जाते.

कमी किंवा कमी चुंबकीय क्षेत्र नसलेला सुपरकंडक्टर मेस्नर अवस्थेत असतो असे म्हणतात. परंतु जेव्हा लागू केलेले चुंबकीय क्षेत्र खूप मजबूत असते तेव्हा मेइसनर अवस्था खंडित होते.

येथे हे लक्षात घेण्यासारखे आहे की हे उल्लंघन कसे होते यावर अवलंबून सुपरकंडक्टर्सना दोन वर्गांमध्ये विभागले जाऊ शकते. पहिल्या प्रकारच्या सुपरकंडक्टरमध्ये, जेव्हा लागू केलेल्या चुंबकीय क्षेत्राची ताकद Hc या गंभीर मूल्यापेक्षा जास्त होते तेव्हा सुपरकंडक्टिव्हिटीचे अचानक उल्लंघन होते.

नमुन्याच्या भूमितीवर अवलंबून, चुंबकीय क्षेत्र नसलेल्या सुपरकंडक्टिंग सामग्रीच्या प्रदेशांसह मिश्रित चुंबकीय क्षेत्र वाहून नेणाऱ्या सामान्य सामग्रीच्या क्षेत्रांच्या उत्कृष्ट नमुना प्रमाणेच मध्यवर्ती स्थिती मिळवता येते.

प्रकार II सुपरकंडक्टर्समध्ये, चुंबकीय क्षेत्राची ताकद पहिल्या गंभीर मूल्यापर्यंत वाढवल्याने Hc1 मिश्र स्थितीकडे नेतो (ज्याला भोवरा स्थिती देखील म्हणतात), ज्यामध्ये अधिकाधिक चुंबकीय प्रवाह सामग्रीमध्ये प्रवेश करतात, परंतु विद्युत प्रवाहाला कोणताही प्रतिकार नसतो. जोपर्यंत हा प्रवाह खूप जास्त नसेल.

दुसऱ्या क्रिटिकल स्ट्रेंथ Hc2 च्या मूल्यावर सुपरकंडक्टिंग स्टेट नष्ट होते. मिश्र अवस्था ही सुपरफ्लुइड इलेक्ट्रॉन फ्लुइडमधील व्हर्टिसेसमुळे होते, ज्याला काहीवेळा फ्लक्सॉन (चुंबकीय प्रवाहाचे फ्लक्सन-क्वांटम) म्हटले जाते कारण या व्हर्टिसेसद्वारे वाहून नेणारा प्रवाह परिमाणित केला जातो.

निओबियम आणि कार्बन नॅनोट्यूबचा अपवाद वगळता सर्वात शुद्ध मूलभूत सुपरकंडक्टर पहिल्या प्रकारचे आहेत, तर जवळजवळ सर्व अशुद्धता आणि जटिल सुपरकंडक्टर दुसऱ्या प्रकारचे आहेत.

घटनाशास्त्रीयदृष्ट्या, फ्रिट्झ आणि हेन्झ लंडन या बंधूंनी मेइसनर प्रभावाचे स्पष्टीकरण केले, ज्यांनी हे दर्शविले की सुपरकंडक्टरची इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक मुक्त ऊर्जा या स्थितीत कमी केली जाते:

या स्थितीला लंडनचे समीकरण म्हणतात. त्याने भाकीत केले की सुपरकंडक्टरमधील चुंबकीय क्षेत्र त्याच्या पृष्ठभागावरील कोणत्याही मूल्यापेक्षा वेगाने क्षीण होते.

कमकुवत चुंबकीय क्षेत्र लागू केल्यास, सुपरकंडक्टर जवळजवळ सर्व चुंबकीय प्रवाह विस्थापित करतो. हे त्याच्या पृष्ठभागाजवळ विद्युत प्रवाह दिसण्यामुळे होते. पृष्ठभागावरील प्रवाहांचे चुंबकीय क्षेत्र सुपरकंडक्टरच्या व्हॉल्यूमच्या आत लागू केलेले चुंबकीय क्षेत्र तटस्थ करते. क्षेत्राचे विस्थापन किंवा दडपशाही कालांतराने बदलत नसल्यामुळे, याचा अर्थ हा प्रभाव निर्माण करणारे प्रवाह (थेट प्रवाह) कालांतराने क्षय होत नाहीत.

नमुन्याच्या पृष्ठभागाजवळ, लंडनच्या खोलीत, चुंबकीय क्षेत्र पूर्णपणे अनुपस्थित नाही. प्रत्येक सुपरकंडक्टिंग सामग्रीची स्वतःची चुंबकीय प्रवेश खोली असते.

कोणताही परिपूर्ण कंडक्टर त्याच्या पृष्ठभागावरुन जाणार्‍या चुंबकीय प्रवाहातील कोणताही बदल शून्य प्रतिकारावर सामान्य इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंडक्शनमुळे प्रतिबंधित करेल. परंतु Meissner प्रभाव या घटनेपेक्षा वेगळा आहे.

पारंपारिक कंडक्टरला कायमस्वरूपी लागू केलेल्या चुंबकीय क्षेत्राच्या उपस्थितीत सुपरकंडक्टिंग स्थितीत थंड केले जाते, तेव्हा या संक्रमणादरम्यान चुंबकीय प्रवाह बाहेर फेकले जातात. हा परिणाम अमर्याद चालकता द्वारे स्पष्ट केला जाऊ शकत नाही.

आधीपासून सुपरकंडक्टिंग मटेरियलवर चुंबकाचे स्थान आणि त्यानंतरचे उत्सर्जन मेस्नर प्रभाव प्रदर्शित करत नाही, तर जर सुरुवातीला स्थिर चुंबकाला गंभीर तापमानाला थंड केलेल्या सुपरकंडक्टरने मागे हटवले तर मेस्नर प्रभाव प्रदर्शित केला जातो.

मेइसनर स्थितीत, सुपरकंडक्टर परिपूर्ण डायमॅग्नेटिझम किंवा सुपरडायमॅग्नेटिझम प्रदर्शित करतात. याचा अर्थ असा की एकूण चुंबकीय क्षेत्र त्यांच्या आत शून्याच्या अगदी जवळ आहे, पृष्ठभागापासून खूप अंतर आहे. चुंबकीय संवेदनशीलता -1.

डायमॅग्नेटिझमची व्याख्या एखाद्या पदार्थाच्या उत्स्फूर्त चुंबकीकरणाच्या निर्मितीद्वारे केली जाते जी बाह्यरित्या लागू केलेल्या चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेच्या अगदी विरुद्ध असते. परंतु सुपरकंडक्टर्स आणि सामान्य पदार्थांमधील डायमॅग्नेटिझमची मूलभूत उत्पत्ती खूप वेगळी असते.

सामान्य पदार्थांमध्ये, जेव्हा बाह्य चुंबकीय क्षेत्र लागू केले जाते तेव्हा अणु केंद्राभोवती इलेक्ट्रॉनच्या विद्युत चुंबकीय प्रेरित परिभ्रमणाचा थेट परिणाम म्हणून डायमॅग्नेटिझम उद्भवते. सुपरकंडक्टर्समध्ये, परिपूर्ण डायमॅग्नेटिझमचा भ्रम केवळ ऑर्बिटल स्पिनमुळेच नव्हे तर लागू केलेल्या क्षेत्राविरुद्ध (स्वत: मेइसनर प्रभाव) वाहणार्‍या सतत संरक्षक प्रवाहांमुळे उद्भवतो.

Meissner प्रभावाचा शोध 1935 मध्ये फ्रिट्झ आणि हेन्झ लंडन यांच्या सुपरकंडक्टिव्हिटीच्या अभूतपूर्व सिद्धांताकडे नेला. हा सिद्धांत प्रतिकार आणि Meissner प्रभाव नाहीसे स्पष्ट करतो. यामुळे आम्हाला सुपरकंडक्टिव्हिटीबद्दल प्रथम सैद्धांतिक अंदाज बांधता आले.

तथापि, हा सिद्धांत केवळ प्रायोगिक निरीक्षणांचे स्पष्टीकरण देतो, परंतु सुपरकंडक्टिंग गुणधर्मांच्या मॅक्रोस्कोपिक उत्पत्तीची ओळख करण्यास परवानगी देत ​​​​नाही.हे नंतर, 1957 मध्ये, बार्डीन-कूपर-श्रीफर सिद्धांताद्वारे यशस्वीरित्या केले गेले, ज्यातून प्रवेशाची खोली आणि मेस्नर प्रभाव दोन्ही आढळतात. तथापि, काही भौतिकशास्त्रज्ञांचा असा युक्तिवाद आहे की बार्डीन-कूपर-श्रीफर सिद्धांत मेस्नर प्रभावाचे स्पष्टीकरण देत नाही.

Meissner प्रभाव खालील तत्त्वानुसार लागू केला जातो. जेव्हा सुपरकंडक्टिंग मटेरियलचे तापमान गंभीर मूल्यातून जाते, तेव्हा त्याच्या सभोवतालचे चुंबकीय क्षेत्र अचानक बदलते, परिणामी अशा सामग्रीभोवती गुंडाळीच्या जखमेमध्ये EMF नाडी तयार होते. आणि जेव्हा कंट्रोल कॉइलचा प्रवाह बदलतो तेव्हा सामग्रीची चुंबकीय स्थिती नियंत्रित केली जाऊ शकते. ही घटना विशेष सेन्सर वापरून अति-कमकुवत चुंबकीय क्षेत्र मोजण्यासाठी वापरली जाते.

क्रायोट्रॉन हे मेइसनर इफेक्टवर आधारित स्विचिंग डिव्हाइस आहे. संरचनात्मकदृष्ट्या, त्यात दोन सुपरकंडक्टर असतात. एक निओबियम कॉइल टॅंटलम रॉडभोवती जखमेच्या आहे ज्याद्वारे एक नियंत्रण प्रवाह वाहतो.

कंट्रोल करंट जसजसा वाढत जातो तसतसे चुंबकीय क्षेत्राची ताकद वाढते आणि टॅंटलम सुपरकंडक्टिंग अवस्थेतून सामान्य स्थितीकडे जातो. या प्रकरणात, टॅंटलम वायरची चालकता आणि कंट्रोल सर्किटमधील ऑपरेटिंग करंट नॉन-लाइनरमध्ये बदलतो. पद्धत क्रायट्रॉन्सच्या आधारावर, उदाहरणार्थ, नियंत्रित वाल्व्ह तयार केले जातात.