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邁斯納效應（超導體對磁場(chǎng)的排斥現象）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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邁斯納效應

超導體對磁場(chǎng)的排斥現象

邁斯納效應是超導體從一般狀態(tài)相變至超導態(tài)的過(guò)程中對磁場(chǎng)的排斥現象，于1933年時(shí)被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導錫及鉛樣品外的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現。在有磁場(chǎng)的情況下，樣品被冷卻至它們的超導相變溫度以下。在相變溫度以下時(shí)，樣品幾乎抵消掉所有里面的磁場(chǎng)。他們只是間接地探測到這個(gè)效應；因為超導體的磁通量守恒，當里面的場(chǎng)減少時(shí)，外面的場(chǎng)就會(huì )增加。這實(shí)驗最早證明超導體不只是完美的導電體，并為超導態(tài)提供一個(gè)獨特的定義性質(zhì)。

基本信息

中文名	邁斯納效應
外文名	Meissner effect
拼音	maisinaxiaoying
術(shù)語(yǔ)類(lèi)別	科學(xué)術(shù)語(yǔ)
定義	是超導體對磁場(chǎng)的排斥現象

概念

邁斯納效應是超導體從一般狀態(tài)相變至超導態(tài)的過(guò)程中對磁場(chǎng)的排斥現象，于1933年時(shí)被瓦爾特·邁斯納與羅伯特·奧克森菲爾德在量度超導錫及鉛樣品外的磁場(chǎng)時(shí)發(fā)現[1]。

當一個(gè)磁體和一個(gè)處于超導態(tài)的超導體相互靠近時(shí)，磁體的磁場(chǎng)會(huì )使超導體表面中出現超導電流。此超導電流形成的磁場(chǎng)，在超導體內部，恰好和磁體的磁場(chǎng)大小相等，方向相反。這兩個(gè)磁志抵消，使超導體內部的磁感應強度為零，B=0，即超導體排斥體內的磁場(chǎng)。

（圖）邁斯納效應

解釋

在弱場(chǎng)下，超導體幾乎“排斥”掉所有的磁通量，磁力線(xiàn)無(wú)法穿透超導體。它通過(guò)在其表面建立起電流來(lái)達到這點(diǎn)。這些表面電流的磁場(chǎng)與外加的磁場(chǎng)在超導體內互相抵消。由于場(chǎng)排斥（或抵消）并不隨時(shí)間而改變，所以導致這效應的電流（又稱(chēng)持久電流）并不會(huì )因時(shí)間而減弱。因此電導率可被視為無(wú)限：即超導體。

在接近表面的一定距離內，磁場(chǎng)并不會(huì )被完全抵消，這個(gè)距離被稱(chēng)為倫敦穿透深度。每一種超導體都有其特有的穿透深度。

任何完美的零電阻導電體都會(huì )因為簡(jiǎn)單的電磁感應現象，阻止通過(guò)其表面的磁通量改變。然而，超導體的邁斯納效應跟這個(gè)有區別：當為了在外加磁場(chǎng)下到達超導態(tài)，而冷卻一般導電體時(shí)，磁通量在相變期間會(huì )被排斥。這樣的效應無(wú)法用無(wú)限電導率來(lái)解釋。它的解釋比這個(gè)更復雜，最早由弗里茨·倫敦與海因茨·倫敦兩兄弟在倫敦方程中提出。

發(fā)現

1933年德國物理學(xué)家邁斯納（W.Meissner）和奧森菲爾德（R.Ochsebfekd）對錫單晶球超導體做磁場(chǎng)分布測量時(shí)發(fā)現，在小磁場(chǎng)中把金屬冷卻進(jìn)入超導態(tài)時(shí)，體內的磁力線(xiàn)一下被排出，磁力線(xiàn)不能穿過(guò)它的體內，也就是說(shuō)超導體處于超導態(tài)時(shí)，體內的磁場(chǎng)恒等于零。

（圖）邁斯納效應

超導體一旦進(jìn)入超導狀態(tài)，體內的磁通量將全部被排出體外，磁感應強度恒為零，且不論對導體是先降溫后加磁場(chǎng)，還是先加磁場(chǎng)后降溫，只要進(jìn)入超導狀態(tài)，超導體就把全部磁通量排出體外。

此外，超導體還是完全的抗磁體，外加磁場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入或（嚴格說(shuō)是）大范圍地存在于超導體內部，這是超導體的另一個(gè)基本特性。

原理

產(chǎn)生邁斯納效應的原因是：當超導體處于超導態(tài)時(shí)，在磁場(chǎng)作用下，表面產(chǎn)生一個(gè)無(wú)損耗感應電流。這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰恰與外加磁場(chǎng)大小相等、方向相反，因而總合成磁場(chǎng)為零。換句話(huà)說(shuō)，這個(gè)無(wú)損耗感應電流對外加磁場(chǎng)起著(zhù)屏蔽作用，因此稱(chēng)它為抗磁性屏蔽電流。

超導體不是電阻無(wú)限小的理想導體。

因為對于電阻率ρ無(wú)限小的理想導體，根據J＝σＥ＝Ｅ／ρ，當ρ為０時(shí)，Ｅ必須為０才能使Ｊ保持有限。這就是說(shuō)對理想導體在沒(méi)有電場(chǎng)Ｅ的條件下仍可以維持穩恒穩定流密度。

實(shí)驗

后來(lái)人們還做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗，在一個(gè)淺平的錫盤(pán)中，放入一個(gè)體積很小磁性很強的永久磁鐵，然后把溫度降低，使錫出現超導性。這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開(kāi)錫盤(pán)表面，飄然升起，與錫盤(pán)保持一定距離后，便懸空不動(dòng)了。這是由于超導體的完全抗磁性，使小磁鐵的磁力線(xiàn)無(wú)法穿透超導體，磁場(chǎng)發(fā)生畸變，便產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力。

進(jìn)一步的研究表明：處于超導態(tài)的物體，外加磁場(chǎng)之所以無(wú)法穿透它的內部，是因為在超導體的表面感生一個(gè)無(wú)損耗的抗磁超導電流，這一電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，恰巧抵消了超導體內部的磁場(chǎng)。這一發(fā)現非常有意義，在此之后，人們用邁斯納效應來(lái)判別物質(zhì)是否具有超導性。

作用

邁斯納效應和零電阻現象是實(shí)驗上判定一個(gè)材料是否為超導體的兩大要素。邁斯納效應指明了超導態(tài)是一個(gè)熱力學(xué)平衡狀態(tài)，與如何進(jìn)入超導態(tài)的途徑無(wú)關(guān)，超導態(tài)的零電阻現象和邁斯納效應是超導態(tài)的兩個(gè)相互獨立，又相互聯(lián)系的基本屬性。單純的零電阻并不能保證邁斯納效應的存在，但零電阻效應又是邁斯納效應的必要條件。因此，衡量一種材料是否是超導體，必須看是否同時(shí)具備零電阻和邁斯納效應。

另外，科學(xué)家根據“邁斯納效應”的原理，應用于超導列車(chē)和超導船。

超導材料和超導技術(shù)有著(zhù)廣闊的應用前景。超導現象中的邁斯納效應使人們可以用此原理制造超導列車(chē)和超導船，由于這些交通工具將在懸浮無(wú)摩擦狀態(tài)下運行，這將大大提高它們的速度和安靜性，并有效減少機械磨損。利用超導懸浮可制造無(wú)磨損軸承，將軸承轉速提高到每分鐘10萬(wàn)轉以上。摘自物理宇宙科普書(shū)籍《變化》

超導列車(chē)已于70年代成功地進(jìn)行了載人可行性試驗，1987年開(kāi)始，日本開(kāi)始試運行，但經(jīng)常出現失效現象，出現這種現象可能是由于高速行駛產(chǎn)生的顛簸造成的。超導船已于1992年1月27日下水試航，目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。利用超導材料制造交通工具在技術(shù)上還存在一定的障礙，但它勢必會(huì )引發(fā)交通工具革命的一次浪潮。

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