मीस्नर प्रभाव और इसका उपयोग

Meissner प्रभाव या Meissner-Oxenfeld प्रभाव सुपरकंडक्टिंग अवस्था में संक्रमण के दौरान सुपरकंडक्टर के थोक से एक चुंबकीय क्षेत्र के विस्थापन में होता है। इस घटना की खोज 1933 में जर्मन भौतिकविदों वाल्टर मीस्नर और रॉबर्ट ऑक्सेनफेल्ड ने की थी, जिन्होंने टिन और लेड के सुपरकंडक्टिंग नमूनों के बाहर चुंबकीय क्षेत्र के वितरण को मापा था।

वाल्टर मीस्नर

प्रयोग में, सुपरकंडक्टर्स, एक अनुप्रयुक्त चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में, उनके सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान से नीचे ठंडा किए गए थे जब तक कि लगभग सभी नमूनों के आंतरिक चुंबकीय क्षेत्र को रीसेट नहीं किया गया था। वैज्ञानिकों द्वारा केवल अप्रत्यक्ष रूप से प्रभाव का पता लगाया गया, क्योंकि सुपरकंडक्टर का चुंबकीय प्रवाह संरक्षित है: जब नमूने के अंदर चुंबकीय क्षेत्र कम हो जाता है, तो बाहरी चुंबकीय क्षेत्र बढ़ जाता है।

इस प्रकार, प्रयोग ने पहली बार स्पष्ट रूप से दिखाया कि सुपरकंडक्टर्स न केवल आदर्श कंडक्टर हैं, बल्कि सुपरकंडक्टिंग राज्य की एक अद्वितीय परिभाषित संपत्ति भी प्रदर्शित करते हैं।सुपरकंडक्टर के यूनिट सेल के अंदर न्यूट्रलाइजेशन द्वारा गठित संतुलन की प्रकृति द्वारा चुंबकीय क्षेत्र को स्थानांतरित करने की क्षमता निर्धारित की जाती है।

बहुत कम या बिना चुंबकीय क्षेत्र वाले सुपरकंडक्टर को मीस्नर अवस्था में कहा जाता है। लेकिन लागू चुंबकीय क्षेत्र बहुत मजबूत होने पर मीस्नर राज्य टूट जाता है।

यहां यह ध्यान देने योग्य है कि यह उल्लंघन कैसे होता है इसके आधार पर सुपरकंडक्टर्स को दो वर्गों में विभाजित किया जा सकता है। पहले प्रकार के सुपरकंडक्टर में, सुपरकंडक्टिविटी का अचानक उल्लंघन होता है जब लागू चुंबकीय क्षेत्र की ताकत महत्वपूर्ण मूल्य एचसी से अधिक हो जाती है।

नमूने की ज्यामिति के आधार पर, एक मध्यवर्ती स्थिति प्राप्त की जा सकती है, सामान्य सामग्री के क्षेत्रों के अति सुंदर पैटर्न के समान, चुंबकीय क्षेत्र को सुपरकंडक्टिंग सामग्री के क्षेत्रों के साथ मिश्रित किया जाता है जहां कोई चुंबकीय क्षेत्र नहीं होता है।

टाइप II सुपरकंडक्टर्स में, लागू चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को पहले महत्वपूर्ण मान Hc1 तक बढ़ाना एक मिश्रित स्थिति (भंवर अवस्था के रूप में भी जाना जाता है) की ओर जाता है, जिसमें अधिक से अधिक चुंबकीय प्रवाह सामग्री में प्रवेश करता है, लेकिन विद्युत प्रवाह के लिए कोई प्रतिरोध नहीं होता है। जब तक कि यह करंट बहुत अधिक न हो।

दूसरी क्रांतिक शक्ति Hc2 के मान पर अतिचालक अवस्था नष्ट हो जाती है। मिश्रित अवस्था एक सुपरफ्लुइड इलेक्ट्रॉन द्रव में भंवरों के कारण होती है, जिन्हें कभी-कभी फ्लक्सन (चुंबकीय प्रवाह का फ्लक्सन-क्वांटम) कहा जाता है क्योंकि इन भंवरों द्वारा किए गए प्रवाह की मात्रा निर्धारित होती है।

नाइओबियम और कार्बन नैनोट्यूब के अपवाद के साथ सबसे शुद्ध तात्विक सुपरकंडक्टर्स पहले प्रकार के होते हैं, जबकि लगभग सभी अशुद्धियाँ और जटिल सुपरकंडक्टर्स दूसरे प्रकार के होते हैं।

फेनोमेनोलॉजिकल रूप से, मीस्नर प्रभाव को फ्रिट्ज़ और हेंज लंदन भाइयों द्वारा समझाया गया था, जिन्होंने दिखाया था कि एक सुपरकंडक्टर की विद्युत चुम्बकीय मुक्त ऊर्जा को स्थिति के तहत कम किया जाता है:

इस स्थिति को लंदन का समीकरण कहा जाता है। उन्होंने भविष्यवाणी की कि सुपरकंडक्टर में चुंबकीय क्षेत्र सतह पर जो भी मूल्य है, उससे तेजी से घटता है।

यदि एक कमजोर चुंबकीय क्षेत्र लागू किया जाता है, तो सुपरकंडक्टर लगभग सभी चुंबकीय प्रवाह को विस्थापित कर देता है। यह इसकी सतह के पास विद्युत धाराओं की उपस्थिति के कारण है।सतह धाराओं का चुंबकीय क्षेत्र सुपरकंडक्टर के आयतन के अंदर लागू चुंबकीय क्षेत्र को बेअसर कर देता है। चूंकि क्षेत्र का विस्थापन या दमन समय के साथ नहीं बदलता है, इसका मतलब यह है कि इस प्रभाव को पैदा करने वाली धाराएं (प्रत्यक्ष धाराएं) समय के साथ क्षय नहीं होती हैं।

नमूने की सतह के पास, लंदन की गहराई के भीतर, चुंबकीय क्षेत्र पूरी तरह से अनुपस्थित नहीं है। प्रत्येक सुपरकंडक्टिंग सामग्री की अपनी चुंबकीय प्रवेश गहराई होती है।

शून्य प्रतिरोध पर सामान्य विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के कारण कोई भी सही कंडक्टर अपनी सतह से गुजरने वाले चुंबकीय प्रवाह में किसी भी बदलाव को रोक देगा। लेकिन मीस्नर प्रभाव इस घटना से अलग है।

जब एक स्थायी रूप से लागू चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में एक पारंपरिक कंडक्टर को सुपरकंडक्टिंग अवस्था में ठंडा किया जाता है, तो इस संक्रमण के दौरान चुंबकीय प्रवाह बाहर निकल जाता है। इस प्रभाव को अनंत चालकता द्वारा नहीं समझाया जा सकता है।

पहले से ही सुपरकंडक्टिंग सामग्री पर चुंबक की नियुक्ति और बाद में उत्तोलन, मीस्नर प्रभाव को प्रदर्शित नहीं करता है, जबकि मीस्नर प्रभाव को प्रदर्शित किया जाता है यदि प्रारंभिक स्थिर चुंबक को बाद में सुपरकंडक्टर द्वारा एक महत्वपूर्ण तापमान तक ठंडा कर दिया जाता है।

मीस्नर अवस्था में, अतिचालक पूर्ण प्रतिचुम्बकत्व या अतिचुंबकत्व प्रदर्शित करते हैं। इसका मतलब यह है कि कुल चुंबकीय क्षेत्र उनके अंदर शून्य के बहुत करीब है, सतह से अंदर की ओर एक बड़ी दूरी। चुंबकीय संवेदनशीलता -1।

प्रतिचुम्बकत्व को एक सामग्री के सहज चुम्बकत्व की उत्पत्ति द्वारा परिभाषित किया जाता है जो बाहरी रूप से लागू चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के बिल्कुल विपरीत है। लेकिन सुपरकंडक्टर्स और सामान्य सामग्री में प्रतिचुंबकत्व की मूल उत्पत्ति बहुत अलग है।

सामान्य सामग्रियों में, बाह्य चुंबकीय क्षेत्र लागू होने पर परमाणु नाभिक के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों के विद्युत चुम्बकीय रूप से प्रेरित कक्षीय घूर्णन के प्रत्यक्ष परिणाम के रूप में डायमैग्नेटिज्म होता है। सुपरकंडक्टर्स में, पूर्ण प्रतिचुम्बकत्व का भ्रम निरंतर परिरक्षण धाराओं के कारण उत्पन्न होता है जो लागू क्षेत्र (स्वयं मीस्नर प्रभाव) के विरुद्ध प्रवाहित होता है, न कि केवल कक्षीय स्पिन के कारण।

मीस्नर प्रभाव की खोज ने 1935 में फ़्रिट्ज़ और हेंज लंदन द्वारा सुपरकंडक्टिविटी के फेनोमेनोलॉजिकल सिद्धांत का नेतृत्व किया। यह सिद्धांत प्रतिरोध के लुप्त होने और मीस्नर प्रभाव की व्याख्या करता है। इसने हमें अतिचालकता के बारे में पहली सैद्धांतिक भविष्यवाणी करने की अनुमति दी।

हालाँकि, यह सिद्धांत केवल प्रायोगिक टिप्पणियों की व्याख्या करता है, लेकिन सुपरकंडक्टिंग गुणों के मैक्रोस्कोपिक मूल की पहचान की अनुमति नहीं देता है।यह बाद में, 1957 में, बारडीन-कूपर-शरीफ़र सिद्धांत द्वारा सफलतापूर्वक किया गया था, जिसमें प्रवेश की गहराई और मीस्नर प्रभाव दोनों का अनुसरण होता है। हालांकि, कुछ भौतिकविदों का तर्क है कि बार्डीन-कूपर-श्रीफ़र सिद्धांत मीस्नर प्रभाव की व्याख्या नहीं करता है।

मीस्नर प्रभाव निम्नलिखित सिद्धांत के अनुसार लागू किया जाता है। जब एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री का तापमान एक महत्वपूर्ण मूल्य से गुजरता है, तो इसके चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र अचानक बदल जाता है, जिसके परिणामस्वरूप ऐसी सामग्री के चारों ओर कुंडल घाव में ईएमएफ पल्स उत्पन्न होता है। और जब नियंत्रण कॉइल की धारा बदलती है, तो सामग्री की चुंबकीय स्थिति को नियंत्रित किया जा सकता है। इस घटना का उपयोग विशेष सेंसर का उपयोग करके अति-कमजोर चुंबकीय क्षेत्र को मापने के लिए किया जाता है।

क्रायोट्रॉन मीस्नर प्रभाव पर आधारित एक स्विचिंग डिवाइस है। संरचनात्मक रूप से, इसमें दो सुपरकंडक्टर्स होते हैं। एक टैंटलम रॉड के चारों ओर एक नाइओबियम कॉइल लपेटा जाता है जिसके माध्यम से एक नियंत्रण धारा प्रवाहित होती है।

जैसे-जैसे नियंत्रण धारा बढ़ती है, चुंबकीय क्षेत्र की ताकत बढ़ती जाती है और टैंटलम सुपरकंडक्टिंग अवस्था से सामान्य अवस्था में जाता है। इस मामले में, टैंटलम तार की चालकता और नियंत्रण सर्किट में ऑपरेटिंग करंट एक गैर-रैखिक में बदल जाता है। तरीका। क्रायोट्रॉन के आधार पर, उदाहरण के लिए, नियंत्रित वाल्व बनाए जाते हैं।