Meissner-effekten: Supraledare, utsläckning av magnetfält och levitation

Meissner-effekten: hur supraledare slår ut magnetfältet och får magneter att sväva — enkel förklaring, demonstrationer och tekniska tillämpningar.

Meissner-effekten är fenomenet där ett magnetfält pressas ut ur ett material när det övergår till supraledande tillstånd, så att magnetfältet inuti supraledaren blir (nästan) noll. Om du placerar en supraledare i fältet av en stark magnet och tittar in i supraledaren ser du att fältet inne i materialet är mycket svagare än utanför — ju längre in du kommer, desto närmare noll blir det. Detta är ett viktigt kännetecken som skiljer supraledare från enkla perfekta ledare, där magnetiskt flöde i allmänhet kan bli inlåst i ledaren vid övergången till ett resistansfritt tillstånd.

Upptäckt och grundläggande mekanism

Effekten upptäcktes 1933 av Walter Meissner och Robert Ochsenfeld. De visade att när ett material blir supraledande förskjuts magnetfältet bort från dess inre, vilket också leder till att fältet precis utanför ytan blir något starkare på grund av ytskjutning. Förklaringen ligger i att supraledare genererar ytströmmar (skärmströmmar) som skapar ett magnetfält som motverkar och därmed utplånar det externa fältet inne i materialet.

Penetrationsdjup och London-ekvationerna

I verkligheten är fältet inte exakt noll direkt vid ytan utan avtar exponentiellt in i materialet med ett typiskt penetrationsdjup (vanligtvis betecknat λ). Penetrationsdjupet beror på materialet och temperaturen och ligger i praktiken ofta i storleksordningen tiotals till några hundra nanometer. Denna avklingning kan beskrivas kvantitativt med London-ekvationerna som var en av de första teoretiska beskrivningarna av Meissner-effekten.

Typ I och typ II supraledare

Supraledare delas upp i två huvudtyper med avseende på sitt beteende i magnetfält:

• Typ I: Visar en fullständig Meissner-effekt under en kritisk fältstyrka Hc. Vid fält högre än Hc övergår materialet till normalläge och fältet penetrerar helt.
• Typ II: Har två kritiska fält, Hc1 och Hc2. Mellan dessa fält inträder ett blandat tillstånd där magnetiskt flöde tränger in i supraledaren i form av kvantiserade virvlar (vortexar) — Abrikosov-vortex. Dessa vortexar innehåller normalt ett magnetfält genom ett litet kärnområde, medan resten av materialet är supraledande.

Flux-pinning och stabil levitation

I typ II-supraledare kan dessa vortexar fastna i materialdefekter, ett fenomen som kallas flux-pinning. Flux-pinning gör att magnetiska fältlinjer kan "låsas" på plats inuti supraledaren, vilket ger mycket stabila levitationseffekter där en magnet både kan sväva över och vara fastlåst i höjd och vinkel relativt supraledaren. Detta förklarar de spektakulära demonstrationerna där små magneter tycks hänga i fasta positioner ovanför eller under en kyld supraledande skiva.

Praktiska demonstrationer och tillämpningar

Ett enkelt och vanligt exempel är en liten magnet som svävar över en supraledande platta som kyls med flytande kväve (till exempel YBCO, en högtemperatursupraledare). Supraledaren skapar då skärmströmmar som fungerar som en magnet med motsatt polaritet och repellerar den riktiga magneten — vilket ger levitation.

Tillämpningar av supraledande egenskaper och Meissner-relaterade fenomen inkluderar:

• Maglev-tåg (supraledande magnetsystem för friktionsfri svävning och styrning).
• Supraledande magnetspolar i MRI och partikelacceleratorer (kraftfulla, stabila fält genereras med låg energiförlust).
• Sensortekniker som SQUIDs (mycket känsliga magnetometrare) som utnyttjar supraledande kretsars egenskaper.
• Friktionsfria lager och demonstrationer i undervisning och populärvetenskap.

Skillnad mot en perfekt ledare

En viktig konceptuell skillnad: en ideal perfekt ledare (med noll resistans men utan supraledande egenskaper) skulle behålla det magnetiska flöde som fanns i materialet när det blev perfekt ledande — alltså kunna "låsa in" ett ursprungligt fält. En supraledare däremot expellerar aktivt fältet när den blir supraledande (Meissner-effekt). Detta visar att supraledning är mer än bara frånvaron av resistans — det är ett självorganiserande kvantmekaniskt tillstånd med särskilda magnetiska egenskaper.

Kritiska fält, temperatur och säkerhet

Meissner-effekten gäller endast under vissa villkor: temperaturen måste vara under materialets kritiska temperatur Tc och det yttre fältet under de kritiska fälten (för typ I) eller lämpligt i förhållande till Hc1/Hc2 (för typ II). Starkare fält eller högre temperaturer kan förstöra supraledningen.

Vid experiment med flytande kväve och starka magneter bör man observera säkerhetsföreskrifter: hantera kryogena vätskor med skyddsutrustning och var försiktig med starka magneter (klämrisk, påverkan på elektroniska enheter och medicinska implantat).

Sammanfattning

Meissner-effekten är det karakteristiska beteendet hos supraledare att aktivt stöta bort magnetfält från sitt inre, orsakat av skärmströmmar nära ytan och beskrivet matematiskt bland annat av London-ekvationerna. Fenomenet leder till imponerande effekter som magnetlevitation och har både pedagogiska demonstrationer och viktiga tekniska tillämpningar.

Frågor och svar

F: Vad är Meissner-effekten?

F: Vad händer med magnetfältet när en supraledare placeras inuti en stor magnet?

F: Hur skiljer sig supraledare från perfekta ledare när det gäller magnetfält?

F: Vem upptäckte Meissner-effekten?

F: Hur får Meissner-effekten en magnet att sväva ovanför en supraledande platta som kyls med flytande kväve?

F: Varför blir magnetfältet utanför en supraledare starkare?

F: Vad är ett exempel på Meissner-effekten?

Sök med bokstav