في عام 1933، قام الفيزيائيان الألمانيان روبرت أوكسينفيلد وفالتر مايسنر باكتشاف رائد يُعرف باسم تأثير مايسنر. تضمن تحقيقهم قياس توزيع المجال المغناطيسي المحيط بعينات فائقة التوصيل من القصدير والرصاص. عند تبريد هذه العينات إلى ما دون درجة الحرارة الانتقالية فائقة التوصيل وإخضاعها لمجال مغناطيسي، لاحظ أوكسنفلد ومايسنر ظاهرة ملحوظة. وازداد المجال المغناطيسي خارج العينات مما يدل على طرد المجال المغناطيسي من داخل العينات. تسمى هذه الظاهرة، حيث يُظهر الموصل الفائق مجالًا مغناطيسيًا ضئيلًا أو معدومًا، حالة مايسنر. ومع ذلك، فإن هذه الحالة عرضة للانهيار تحت تأثير المجالات المغناطيسية القوية. تقدم هذه المقالة لمحة عامة عن تأثير مايسنر وآلياته وتطبيقاته العملية.
ما هو تأثير مايسنر؟
تأثير مايسنر هو طرد المجال المغناطيسي من أ موصل فائق أثناء تحوله إلى حالة التوصيل الفائق عندما يتم تبريده تحت درجة حرارة حرجة. سيقاوم طرد المجال المغناطيسي هذا مغناطيسًا قريبًا وسوف تنهار حالة مايسنر عندما يكون المجال المغناطيسي المطبق قويًا جدًا.
تتوفر الموصلات الفائقة في فئتين بناءً على كيفية حدوث الانهيار مثل النوع الأول والنوع الثاني. النوع الأول هو الموصلات الفائقة العنصرية الأكثر نقاءً باستثناء أنابيب الكربون النانوية والنيوبيوم، في حين أن النوع الثاني عبارة عن موصلات فائقة مركبة وغير نقية تقريبًا.
تأثير مايسنر في الموصلات الفائقة
عندما يتم تبريد الموصلات الفائقة تحت درجة حرارة حرجة فإنها تطرد المجال المغناطيسي ولا تسمح للمجال المغناطيسي بالدخول داخلها، لذلك تُعرف هذه الظاهرة داخل الموصلات الفائقة باسم تأثير مايسنر.
عندما يتم تبريد مادة فائقة التوصيل تحت درجة حرارتها الحرجة، فإنها تتحول إلى حالة فائقة التوصيل، وبالتالي فإن إلكترونات المادة تشكل أزواجًا تسمى أزواج كوبر. تتحرك هذه الأزواج دون أي مقاومة في جميع أنحاء المادة. وفي الوقت نفسه، تُظهِر المادة نفاذية مغناطيسية مثالية لصد المجالات المغناطيسية.
يمكن أن يتسبب هذا التنافر في انحناء خطوط المجال المغناطيسي تقريبًا للموصل الفائق لإنشاء تيار سطحي يلغي بدقة المجال المغناطيسي الخارجي في المادة، وبالتالي، يتم إخراج المجال المغناطيسي بكفاءة من الموصل الفائق ويحدث تأثير مايسنر.
يظهر مثال تأثير مايسنر في الشكل التالي. تنكسر حالة مايسنر هذه عندما يتعزز المجال المغناطيسي إلى ما هو أبعد من قيمة ثابتة وتتصرف العينة مثل الموصل العادي.
لذا، فإن قيمة المجال المغناطيسي المعينة هذه والتي يعود الموصل الفائق بعدها إلى حالته الطبيعية تُعرف باسم المجال المغناطيسي الحرج. هنا، تعتمد قيمة المجال المغناطيسي الحرج بشكل أساسي على درجة الحرارة. عندما تنخفض درجة الحرارة تحت درجة الحرارة الحرجة، تزداد قيمة المجال المغناطيسي الحرج. الأسفل الرسم البياني لتأثير مايسنر يوضح التغير داخل المجال المغناطيسي الحرج من خلال درجة الحرارة.
الاشتقاق
القطعتين الأساسيتين من المعلومات المستخدمة لتوفير الرياضيات اشتقاق تأثير مايسنر نكون؛ مبدأ حفظ الطاقة والعلاقة الأساسية بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية. القوة الدافعة الكهربائية هي الجهد المتولد عن طريق التغير في التدفق المغناطيسي عبر دائرة مغلقة. إن EMF أو القوة الدافعة الكهربائية بناءً على قانون فاراداي الحث داخل دائرة مغلقة تتناسب طرديًا مع معدل تغير المجال المغناطيسي في جميع أنحاء الدائرة. هكذا،
ε = -dΦ/dt
باستخدام العلاقة المذكورة أعلاه، يمكننا أن نستنتج أنه عند انتقال مادة من حالة عادية إلى حالة فائقة التوصيل، فإن أي تدفق مغناطيسي ف ه يجب أن يتغير الموجود أصلاً في المادة. لذا فإن هذا التغيير سيخلق قوة دافعة كهربائية ويخلق تيارات غربلة على سطح المادة. إن مقاومة هذا التغيير داخل التدفق هي ما يجبر تأثير مايسنر على إخراج المجال المغناطيسي الخارجي.
تدفق التثبيت مقابل تأثير مايسنر
من المؤكد أن فهم الاختلافات الرئيسية بين تثبيت التدفق وتأثير مايسنر يوسع فهم ظواهر الموصلية الفائقة ويخبرنا أن الموصلية الفائقة هي قوة تفاعل غنية وظروف استثنائية للمادة. تمت مناقشة الفرق بين Flux Pinning و Meissner Effect أدناه.
|
تثبيت التدفق |
تأثير مايسنر |
| تثبيت التدفق هو نوع من الظواهر التي تصف العلاقات بين المجال المغناطيسي والموصل الفائق عند درجة الحرارة العالية. | تأثير مايسنر هو طرد التدفق المغناطيسي عندما تتحول المادة إلى موصلية فائقة داخل المجال المغناطيسي. |
| يُعرف تثبيت التدفق أيضًا باسم القفل الكمي. | يُعرف تأثير مايسنر أيضًا باسم نظرية باردين-كوبر-شريفير. |
| يحتوي Flux Pinning على احتفاظ محدود بالمجال المغناطيسي.
|
وهذا ما يفسر الطرد الكامل للمجال المغناطيسي من الموصل الفائق. |
| ينطبق Flux Pinning على جميع الموصلات الفائقة.
|
ينطبق تأثير مايسنر فقط على الموصلات الفائقة من النوع الثاني. |
| يمكن أن يؤدي تثبيت التدفق إلى أداء هستيري مغناطيسي بسبب حركة خطوط التدفق. | يُظهر هذا التأثير نفاذية مغناطيسية مثالية في درجة الحرارة الحرجة. |
تأثير مايسنر البارامغناطيسي في الموصلات الفائقة الصغيرة
هذا التأثير هو الخاصية الأساسية للموصلات الفائقة ويشير إلى عدم وجود مقاومة. في الوقت الحاضر، كشفت العديد من التجارب أن بعض العينات فائقة التوصيل قد تجذب مجالًا مغناطيسيًا يسمى تأثير مايسنر البارامغناطيسي. هذا التأثير عبارة عن دالة تذبذبية للمجال المغناطيسي الذي يحل محل تأثير مايسنر النموذجي مباشرة فوق مجال معين عندما يتم تجميد العديد من كمات التدفق في موصل فائق.
تم العثور على الحالة البارامغناطيسية لتكون شبه مستقرة وتم استعادة حالة مايسنر مع الضوضاء الخارجية. لذا فإن تأثير مايسنر البارامغناطيسي يرتبط بالموصلية الفائقة للسطح، وبالتالي فهو يمثل خاصية موصلية فائقة شائعة. عن طريق خفض درجة الحرارة، يتم تقليل التدفق الملتقط في المجال الحرج للسطح في الغطاء فائق التوصيل إلى حجم أصغر عن طريق السماح للتدفق الإضافي بالدخول إلى السطح.
التطبيقات
ال تطبيقات تأثير مايسنر تشمل ما يلي.
- يتم استخدام هذا في الإرتفاع الكمي أو الاصطياد الكمي لتطوير تقنيات النقل القادمة وتشغيل SQUIDs لقياس التغيرات المغناطيسية الدقيقة.
- يُستخدم هذا التأثير في الرفع المغناطيسي مما يعني أنه يمكن تعليق الجسم دون دعم باستثناء المجال المغناطيسي
- تشمل التطبيقات المحتملة لهذا التأثير بشكل رئيسي؛ مركبات النقل التي يتم رفعها مغناطيسيًا، والحوامل منخفضة الاهتزاز، والمحامل عديمة الاحتكاك، وما إلى ذلك.
- ويستخدم هذا التأثير في الموصلات الفائقة لتشكيل دروع مغناطيسية تحمي الأجهزة الحساسة من التداخل المغناطيسي.
- يسمح هذا التأثير بتصنيع مغناطيسات قوية فائقة التوصيل لتطبيقات التصوير بالرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات.
- ويستخدم هذا في مجالات التأثير مثل البحث العلمي والتصوير الطبي والنقل وما إلى ذلك.
من اكتشف تأثير سيبيك؟
تم اكتشاف تأثير سيبيك على يد الفيزيائي الألماني “توماس يوهان سيبيك” في عام 1821.
ما أهمية تأثير سيبيك؟
يعد تأثير Seebeck مفيدًا في قياس درجة الحرارة بحساسية ودقة كبيرة لإنتاج الطاقة الكهربائية لمختلف التطبيقات.
ما هو تأثير سيبيك وكيف يتم استغلاله لقياس درجة الحرارة؟
تأثير Seebeck هو حدوث اختلاف في درجة الحرارة بين موصلين كهربائيين مختلفين (أو) أشباه الموصلات يولد تفاوت الجهد بين المادتين. بمجرد توفير الحرارة لأحد الاثنين الموصلات (أو) أشباه الموصلات، ثم تتدفق الإلكترونات الساخنة إلى الموصل الأكثر برودة (أو) أشباه الموصلات. ويشكل الاختلاف في درجة الحرارة مجالًا EMF يسمى تأثير Seebeck.
لماذا تزداد سيبك مع درجة الحرارة؟
تكون قيمة معامل Seebeck موجبة فوق نطاق درجة الحرارة المقاسة، مما يدل على أداء النوع p ويرتفع مع زيادة درجة الحرارة. تتعزز الموصلية الكهربائية كلما ارتفعت درجة الحرارة مما يدل على أداء أشباه الموصلات.
ما هو تأثير مايسنر وكيف يتم استخدامه في الإرتفاع المغناطيسي؟
يسمح هذا التأثير بالارتفاع المغناطيسي عن طريق جعل الموصلات الجيدة تبتعد عن المجال المغناطيسي عندما تتحول إلى موصلية فائقة. بمجرد تبريد الموصل تحت درجة حرارته الحرجة، يتم طرد المجالات المغناطيسية لخلق تأثير الرفع.
ما هو تأثير مايسنر الذي يوضح أن الموصلات الفائقة هي مواد مغناطيسية مثالية؟
تُظهِر الموصلات الفائقة في حالة مايسنر نفاذية مغناطيسية مثالية (أو) نفاذية مغناطيسية فائقة مما يعني أن الموصل الفائق لديه حساسية مغناطيسية -1.
هكذا هذا لمحة عامة عن تأثير مايسنر الاشتقاق والاختلافات وتطبيقاته. هذا هو طرد المجال المغناطيسي من انتقال الموصلات الفائقة إلى حالة التوصيل الفائق تحت درجة حرارة حرجة. يتضمن هذا التأثير ضمن الموصلية الفائقة توليد تيار كهربائي سطحي يخلق مجالًا مغناطيسيًا مضادًا لإبطال المجالات المغناطيسية الخارجية. وهنا سؤال لك، ما هو الموصل الفائق؟
