邁斯納效應及其用途

Meissner 效應或 Meissner-Oxenfeld 效應在於磁場在超導體過渡到超導狀態期間從超導體主體發生位移。這種現像是 1933 年由德國物理學家 Walter Meissner 和 Robert Oxenfeld 發現的，他們測量了錫鉛超導樣品外的磁場分佈。

沃爾特邁斯納

在實驗中，超導體在施加磁場的情況下被冷卻到低於其超導轉變溫度，直到幾乎所有樣品的內部磁場都被重置。科學家只是間接檢測到這種效應，因為超導體的磁通量得以保留：當樣品內部的磁場減弱時，外部磁場就會增強。

因此，該實驗首次清楚地表明，超導體不僅是理想導體，而且還展示了超導狀態的獨特定義特性。改變磁場的能力取決於超導體晶胞內中和所形成的平衡的性質。

磁場很小或沒有磁場的超導體被稱為邁斯納態。但當施加的磁場太強時，邁斯納態就會崩潰。

這裡值得注意的是，超導體可以根據這種破壞的發生方式分為兩類。在第一類超導體中，當施加的磁場強度變得高於臨界值 Hc 時，超導性突然被破壞。

根據樣品的幾何形狀，可以獲得中間狀態，類似於帶有磁場的普通材料區域與沒有磁場的超導材料區域混合的精緻圖案。

在II型超導體中，將施加的磁場強度增加到第一臨界值Hc1導致混合狀態（也稱為渦流狀態），其中越來越多的磁通量穿透材料，但沒有電流阻力除非這個電流不是太高。

在第二臨界強度 Hc2 的值下，超導狀態被破壞。混合態是由超流體電子流體中的渦流引起的，有時稱為磁通量（磁通量的流子-量子），因為這些渦流攜帶的通量是量子化的。

最純的元素超導體，除了鈮和碳納米管，屬於第一類，而幾乎所有的雜質和復雜的超導體都屬於第二類。

在現象學上，邁斯納效應由 Fritz 和 Heinz London 兄弟解釋，他們表明超導體的電磁自由能在以下條件下最小化：

這個條件稱為倫敦方程。他預測超導體中的磁場會從其表面的任何值呈指數衰減。

如果施加弱磁場，則超導體會取代幾乎所有的磁通量。這是由於在其表面附近出現了電流。表面電流的磁場中和了超導體體積內施加的磁場。由於場的位移或抑制不會隨時間改變，這意味著產生這種效果的電流（直流電）不會隨時間衰減。

在倫敦深度範圍內的樣品表面附近，磁場並非完全不存在。每種超導材料都有自己的磁穿透深度。

任何完美的導體都會阻止由於零電阻下的正常電磁感應而導致通過其表面的磁通量發生任何變化。但邁斯納效應與這種現像不同。

當傳統導體在永久施加磁場的情況下冷卻到超導狀態時，磁通量會在此轉變過程中被拋出。這種效應不能用無窮大的電導率來解釋。

磁鐵在已經超導的材料上的放置和隨後的懸浮不會表現出邁斯納效應，而如果最初靜止的磁鐵後來被冷卻到臨界溫度的超導體排斥，就會表現出邁斯納效應。

在邁斯納狀態下，超導體表現出完美的抗磁性或超抗磁性。這意味著它們內部的總磁場非常接近於零，距離表面很遠。磁化率-1。

抗磁性定義為材料自發磁化強度的產生，該磁化強度與外加磁場的方向恰好相反。但超導體和普通材料中抗磁性的基本來源卻大不相同。

在普通材料中，當施加外部磁場時，抗磁性的發生是電磁感應的電子圍繞原子核的軌道旋轉的直接結果。在超導體中，完美抗磁性的錯覺是由於逆著施加場流動的恆定屏蔽電流（邁斯納效應本身）而產生的，而不僅僅是因為軌道自旋。

邁斯納效應的發現導致 1935 年 Fritz 和 Heinz London 提出超導現象學理論。該理論解釋了阻力的消失和邁斯納效應。這使我們能夠對超導性做出第一個理論預測。

然而，該理論僅解釋了實驗觀察結果，而無法識別超導特性的宏觀起源。後來，在 1957 年，Bardeen-Cooper-Schriefer 理論成功地做到了這一點，從中可以得出穿透深度和邁斯納效應。然而，一些物理學家認為 Bardeen-Cooper-Schrieffer 理論不能解釋邁斯納效應。

根據以下原則應用邁斯納效應。當超導材料的溫度超過臨界值時，其周圍的磁場會突然發生變化，從而導致纏繞在這種材料上的線圈中產生電動勢脈衝。而當控制線圈的電流發生變化時，就可以控製材料的磁性狀態。這種現像被用於使用特殊傳感器測量超弱磁場。

低溫管是一種基於邁斯納效應的開關裝置。在結構上，它由兩個超導體組成。鈮線圈纏繞在控制電流流過的鉭棒上。

隨著控制電流的增大，磁場強度增大，鉭由超導態過渡到常態，此時鉭絲的電導率與控制電路中的工作電流呈非線性變化方式。例如，在冷凍管的基礎上，創建了受控閥。