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邁斯納效應(yīng)（超導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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邁斯納效應(yīng)

超導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象

邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)體從一般狀態(tài)相變至超導(dǎo)態(tài)的過(guò)程中對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象，于1933年時(shí)被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導(dǎo)錫及鉛樣品外的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)。在有磁場(chǎng)的情況下，樣品被冷卻至它們的超導(dǎo)相變溫度以下。在相變溫度以下時(shí)，樣品幾乎抵消掉所有里面的磁場(chǎng)。他們只是間接地探測(cè)到這個(gè)效應(yīng)；因?yàn)槌瑢?dǎo)體的磁通量守恒，當(dāng)里面的場(chǎng)減少時(shí)，外面的場(chǎng)就會(huì)增加。這實(shí)驗(yàn)最早證明超導(dǎo)體不只是完美的導(dǎo)電體，并為超導(dǎo)態(tài)提供一個(gè)獨(dú)特的定義性質(zhì)。

基本信息

中文名	邁斯納效應(yīng)
外文名	Meissner effect
拼音	maisinaxiaoying
術(shù)語(yǔ)類別	科學(xué)術(shù)語(yǔ)
定義	是超導(dǎo)體對(duì)磁場(chǎng)的排斥現(xiàn)象

概念

當(dāng)一個(gè)磁體和一個(gè)處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體相互靠近時(shí)，磁體的磁場(chǎng)會(huì)使超導(dǎo)體表面中出現(xiàn)超導(dǎo)電流。此超導(dǎo)電流形成的磁場(chǎng)，在超導(dǎo)體內(nèi)部，恰好和磁體的磁場(chǎng)大小相等，方向相反。這兩個(gè)磁志抵消，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，B=0，即超導(dǎo)體排斥體內(nèi)的磁場(chǎng)。

（圖）邁斯納效應(yīng)

解釋

在弱場(chǎng)下，超導(dǎo)體幾乎“排斥”掉所有的磁通量，磁力線無(wú)法穿透超導(dǎo)體。它通過(guò)在其表面建立起電流來(lái)達(dá)到這點(diǎn)。這些表面電流的磁場(chǎng)與外加的磁場(chǎng)在超導(dǎo)體內(nèi)互相抵消。由于場(chǎng)排斥（或抵消）并不隨時(shí)間而改變，所以導(dǎo)致這效應(yīng)的電流（又稱持久電流）并不會(huì)因時(shí)間而減弱。因此電導(dǎo)率可被視為無(wú)限：即超導(dǎo)體。

在接近表面的一定距離內(nèi)，磁場(chǎng)并不會(huì)被完全抵消，這個(gè)距離被稱為倫敦穿透深度。每一種超導(dǎo)體都有其特有的穿透深度。

任何完美的零電阻導(dǎo)電體都會(huì)因?yàn)楹?jiǎn)單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，阻止通過(guò)其表面的磁通量改變。然而，超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)跟這個(gè)有區(qū)別：當(dāng)為了在外加磁場(chǎng)下到達(dá)超導(dǎo)態(tài)，而冷卻一般導(dǎo)電體時(shí)，磁通量在相變期間會(huì)被排斥。這樣的效應(yīng)無(wú)法用無(wú)限電導(dǎo)率來(lái)解釋。它的解釋比這個(gè)更復(fù)雜，最早由弗里茨·倫敦與海因茨·倫敦兩兄弟在倫敦方程中提出。

發(fā)現(xiàn)

1933年德國(guó)物理學(xué)家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsebfekd）對(duì)錫單晶球超導(dǎo)體做磁場(chǎng)分布測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，在小磁場(chǎng)中把金屬冷卻進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，體內(nèi)的磁力線一下被排出，磁力線不能穿過(guò)它的體內(nèi)，也就是說(shuō)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，體內(nèi)的磁場(chǎng)恒等于零。

（圖）邁斯納效應(yīng)

超導(dǎo)體一旦進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，體內(nèi)的磁通量將全部被排出體外，磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，且不論對(duì)導(dǎo)體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，超導(dǎo)體就把全部磁通量排出體外。

此外，超導(dǎo)體還是完全的抗磁體，外加磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入或（嚴(yán)格說(shuō)是）大范圍地存在于超導(dǎo)體內(nèi)部，這是超導(dǎo)體的另一個(gè)基本特性。

原理

產(chǎn)生邁斯納效應(yīng)的原因是：當(dāng)超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，表面產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗感應(yīng)電流。這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰恰與外加磁場(chǎng)大小相等、方向相反，因而總合成磁場(chǎng)為零。換句話說(shuō)，這個(gè)無(wú)損耗感應(yīng)電流對(duì)外加磁場(chǎng)起著屏蔽作用，因此稱它為抗磁性屏蔽電流。

超導(dǎo)體不是電阻無(wú)限小的理想導(dǎo)體。

因?yàn)閷?duì)于電阻率ρ無(wú)限小的理想導(dǎo)體，根據(jù)J＝σＥ＝Ｅ／ρ，當(dāng)ρ為０時(shí)，Ｅ必須為０才能使Ｊ保持有限。這就是說(shuō)對(duì)理想導(dǎo)體在沒(méi)有電場(chǎng)Ｅ的條件下仍可以維持穩(wěn)恒穩(wěn)定流密度。

實(shí)驗(yàn)

后來(lái)人們還做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小磁性很強(qiáng)的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開(kāi)錫盤表面，飄然升起，與錫盤保持一定距離后，便懸空不動(dòng)了。這是由于超導(dǎo)體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線無(wú)法穿透超導(dǎo)體，磁場(chǎng)發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力。

進(jìn)一步的研究表明：處于超導(dǎo)態(tài)的物體，外加磁場(chǎng)之所以無(wú)法穿透它的內(nèi)部，是因?yàn)樵诔瑢?dǎo)體的表面感生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導(dǎo)電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，恰巧抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)。這一發(fā)現(xiàn)非常有意義，在此之后，人們用邁斯納效應(yīng)來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導(dǎo)性。

作用

邁斯納效應(yīng)和零電阻現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)上判定一個(gè)材料是否為超導(dǎo)體的兩大要素。邁斯納效應(yīng)指明了超導(dǎo)態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡狀態(tài)，與如何進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的途徑無(wú)關(guān)，超導(dǎo)態(tài)的零電阻現(xiàn)象和邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應(yīng)的存在，但零電阻效應(yīng)又是邁斯納效應(yīng)的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時(shí)具備零電阻和邁斯納效應(yīng)。

另外，科學(xué)家根據(jù)“邁斯納效應(yīng)”的原理，應(yīng)用于超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船。

超導(dǎo)材料和超導(dǎo)技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。超導(dǎo)現(xiàn)象中的邁斯納效應(yīng)使人們可以用此原理制造超導(dǎo)列車和超導(dǎo)船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運(yùn)行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機(jī)械磨損。利用超導(dǎo)懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉(zhuǎn)速提高到每分鐘10萬(wàn)轉(zhuǎn)以上。摘自物理宇宙科普書(shū)籍《變化》

超導(dǎo)列車已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗(yàn)，1987年開(kāi)始，日本開(kāi)始試運(yùn)行，但經(jīng)常出現(xiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于高速行駛產(chǎn)生的顛簸造成的。超導(dǎo)船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導(dǎo)材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢(shì)必會(huì)引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。

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