迈斯纳效应及其用途

Meissner 效应或 Meissner-Oxenfeld 效应在于磁场在超导体过渡到超导状态期间从超导体主体中位移。这种现象是 1933 年由德国物理学家 Walter Meissner 和 Robert Oxenfeld 发现的，他们测量了锡铅超导样品外部的磁场分布。

沃尔特迈斯纳

在实验中，超导体在施加磁场的情况下被冷却到低于它们的超导转变温度，直到几乎所有样品的内部磁场都被重置。科学家只是间接检测到这种效应，因为超导体的磁通量得以保留：当样品内部的磁场减弱时，外部磁场就会增强。

因此，该实验首次清楚地表明，超导体不仅是理想导体，而且还展示了超导状态的独特定义特性。改变磁场的能力取决于超导体晶胞内中和所形成的平衡的性质。

磁场很小或没有磁场的超导体被称为迈斯纳态。但当施加的磁场太强时，迈斯纳态就会崩溃。

这里值得注意的是，超导体可以根据这种破坏的发生方式分为两类。在第一类超导体中，当施加的磁场强度变得高于临界值 Hc 时，超导性突然被破坏。

根据样品的几何形状，可以获得中间状态，类似于带有磁场的普通材料区域与没有磁场的超导材料区域混合的精致图案。

在II型超导体中，将施加的磁场强度增加到第一临界值Hc1导致混合状态（也称为涡流状态），其中越来越多的磁通量穿透材料，但没有电流阻力除非这个电流不是太高。

在第二临界强度 Hc2 的值下，超导状态被破坏。混合态是由超流体电子流体中的涡流引起的，有时称为磁通量（磁通量的流子-量子），因为这些涡流携带的通量是量子化的。

最纯的元素超导体，除了铌和碳纳米管，属于第一类，而几乎所有的杂质和复杂的超导体都属于第二类。

在现象学上，迈斯纳效应由 Fritz 和 Heinz London 兄弟解释，他们表明超导体的电磁自由能在以下条件下最小化：

这个条件称为伦敦方程。他预测超导体中的磁场会从其表面的任何值呈指数衰减。

如果施加弱磁场，则超导体会取代几乎所有的磁通量。这是由于在其表面附近出现了电流。表面电流的磁场中和了超导体体积内施加的磁场。由于场的位移或抑制不会随时间改变，这意味着产生这种效果的电流（直流电）不会随时间衰减。

在样品表面附近，在伦敦深度范围内，磁场并非完全不存在。每种超导材料都有自己的磁穿透深度。

任何完美的导体都会阻止由于零电阻下的正常电磁感应而导致通过其表面的磁通量发生任何变化。但迈斯纳效应与这种现象不同。

当传统导体在永久施加磁场的情况下冷却到超导状态时，磁通量会在此转变过程中被抛出。这种效应不能用无穷大的电导率来解释。

磁铁在已经超导的材料上的放置和随后的悬浮不会表现出迈斯纳效应，而如果最初静止的磁铁后来被冷却到临界温度的超导体排斥，就会表现出迈斯纳效应。

在迈斯纳状态下，超导体表现出完美的抗磁性或超抗磁性。这意味着它们内部的总磁场非常接近于零，距离表面很远。磁化率-1。

抗磁性定义为材料自发磁化强度的产生，该磁化强度与外加磁场的方向恰好相反。但超导体和普通材料中抗磁性的基本来源却大不相同。

在普通材料中，当施加外部磁场时，抗磁性的发生是电磁感应的电子围绕原子核的轨道旋转的直接结果。在超导体中，完美抗磁性的错觉是由于逆着施加场流动的恒定屏蔽电流（迈斯纳效应本身）而产生的，而不仅仅是因为轨道自旋。

迈斯纳效应的发现导致 1935 年 Fritz 和 Heinz London 提出超导现象学理论。该理论解释了阻力的消失和迈斯纳效应。这使我们能够对超导性做出第一个理论预测。

然而，该理论仅解释了实验观察结果，而无法识别超导特性的宏观起源。后来，在 1957 年，Bardeen-Cooper-Schriefer 理论成功地做到了这一点，从中可以得出穿透深度和迈斯纳效应。然而，一些物理学家认为 Bardeen-Cooper-Schrieffer 理论不能解释迈斯纳效应。

根据以下原则应用迈斯纳效应。当超导材料的温度超过临界值时，其周围的磁场会突然发生变化，从而导致缠绕在这种材料上的线圈中产生电动势脉冲。而当控制线圈的电流发生变化时，就可以控制材料的磁性状态。这种现象被用于使用特殊传感器测量超弱磁场。

低温管是一种基于迈斯纳效应的开关装置。在结构上，它由两个超导体组成。铌线圈缠绕在控制电流流过的钽棒上。

随着控制电流的增大，磁场强度增大，钽由超导态过渡到常态，此时钽丝的电导率与控制电路中的工作电流呈非线性变化方式。例如，在冷冻管的基础上，创建了受控阀。