Meissnerov jav – supravodivosť, princíp a príklady levitácie magnetov

Objavte Meissnerov jav: princíp supravodivosti, ako vyháňa magnetické pole a spôsobuje ohromnú levitáciu magnetov nad chladenými supravodičmi.

Meissnerov jav nastáva, keď sa magnetické pole vytláča zo supravodiča, keď sa tento materiál ochladí pod svoju kritickú teplotu a stane sa supravodivým. Ak by ste umiestnili supravodič do magnetického poľa a pozreli sa len dovnútra supravodiča, zistili by ste, že magnetické pole vo vnútri je výrazne zmenšené v porovnaní s vonkajším poľom — pri ideálnom prípade sa približuje k nule. To odlišuje supravodiče od ideálnych (dokonalých) vodičov: kým dokonalý vodič by jednoducho „zamkol“ pôvodnú magnetickú konfiguráciu, supravodič aktívne vytláča pole a vytvára protiváhu vo forme povrchových prúdov.

Krátka história

Tento jav objavili Walter Meissner a Robert Ochsenfeld v roku 1933 pri experimentoch s chladiacimi supravodičmi. Zistili, že po prechode do supravodivého stavu sa magnetické pole nedostáva dovnútra vzorky a namiesto toho sa v okolí supravodiča intenzita poľa mení — priamo pri povrchu môže byť pole dokonca silnejšie ako bez supravodiča.

Fyzikálne vysvetlenie (v skratke)

Meissnerov efekt vzniká v dôsledku vzniku trvalo tečúcich povrchových prúdov v supravodiči, ktoré generujú magnetické pole presne opačného smeru než vonkajšie pole. Tieto prúdy „rušia“ vnútorné magnetické pole tak, že výsledné pole v objeme supravodiča je veľmi malé alebo nulové. Supravodiče v tomto zmysle pôsobia ako dokonalé diamagnety (magnetická susceptibilita približne −1).

Na kvantitatívne popísanie sa používajú Londonove rovnice, ktoré vedú k pojmu penetration depth (penetrácia), označovanej λ (lambda). Táto dĺžka udáva, do akej hĺbky preniká pole do povrchu supravodiča — typicky niekoľko až niekoľko stoviek nanometrov pri bežných supravodičoch.

Typy supravodičov a správanie v poli

• Typ I: tieto supravodiče majú ostrý prechod medzi normálnym a úplne vymedzeným (Meissnerovým) stavom. Pod kritickým poľom Hc je pole úplne vytlačené; pri prekročení Hc supravodič stratí supravodivosť.
• Typ II: pri týchto materiáloch existuje medzné pásmo medzi nižším kritickým poľom Hc1 a vyšším Hc2. V tomto pásme prenikajú do supravodiča kvantované magnetické víry (vorteksy) nesúce magnetický tok — hovoríme o zmiešanom stave. Víry môžu byť „upevnené“ defektami materiálu (flux pinning), čo umožňuje stabilnú levitáciu a „zamknutie“ magnetu nad supravodičom.

Levitácia a demonstrácie

Jeden z najznámejších a najefektnejších príkladov Meissnerovho javu je levitácia malého permanentného magnetu nad supravodivou doskou ochladenou tekutým dusíkom. Ak je supravodič v režime čistého Meissnerovho stavu (najmä pri typoch I alebo pri tipoch II pri nulovom poli pred chladením), vznikajú povrchové prúdy, ktoré vytvoria obrazový magnet antiparalelný k reálnemu magnetu — ten je odpudzovaný a magnet levituje.

Pri type II a pri ochladení v prítomnosti magnetického poľa (field-cooling) sa do supravodiča zachytia kvantované víry. Vtedy magnet nielen leží nad supravodičom, ale môže byť aj pevne „zafixovaný“ v priestore (magnet sa nedá ľahko posunúť), pretože víry sú viazané na defekty — to sa často nazýva flux pinning alebo „zámok magnetu“.

Praktické využitia

• Maglev (magnetická levitácia) – železničné a dopravné systémy, kde supravodivé magnety môžu znížiť trenie.
• Bezdotykové ložiská a detektory trenia – využívajú levitáciu a stabilitu polohy.
• Štítovanie a zosilnenie polí – supravodivé kryty dokážu blokovať alebo presmerovať magnetické polia.
• MRI, magnetické cievky a generátory – supravodiče umožňujú silné stabilné prúdy bez strát.
• Výskum kvantových javov – štúdium vortexov, kvantovej kohézie a ďalších fenoménov.

Poznámky k experimentom a bezpečnosť

Typická ukážka sa robí so supravodivou keramickou vzorkou chladenou tekutým dusíkom (−196 °C). Pri manipulácii s kryogénnymi kvapalinami treba dodržiavať bezpečnostné opatrenia: ochrana očí, izolačné rukavice, vetrané priestory (nebezpečenstvo dusenia v uzavretých miestnostiach). Nie všetky supravodiče pri tejto teplote vykazujú supravodivosť — záleží na ich kritickej teplote Tc.

Zhrnutie

Meissnerov jav je kľúčovým znakom supravodivosti: ide o aktívne vylučovanie magnetického poľa z vnútra supravodiča v supravodivom stave. Tento efekt, spoločne s vlastnosťou prúdu bez odporu, vytvára bohaté spektrum javov — od povrchových screeningových prúdov a malého penetračného hĺbky až po kvantované vortexy a stabilnú levitáciu magnetov, ktorá má praktické aj demonstračné využitie.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to Meissnerov efekt?

Otázka: Čo sa stane s magnetickým poľom, keď sa supravodič umiestni do veľkého magnetu?

Otázka: Ako sa supravodiče líšia od dokonalých vodičov, pokiaľ ide o magnetické polia?

Otázka: Kto objavil Meissnerov jav?

Otázka: Ako Meissnerov jav spôsobuje, že magnet levituje nad supravodivou doskou chladenou tekutým dusíkom?

Otázka: Prečo magnetické pole mimo supravodiča zosilnie?

Otázka: Aký je jeden z príkladov Meissnerovho javu?

Hľadajte podľa písmena