મીસ્નર અસર અને તેનો ઉપયોગ

Meissner અસર અથવા Meissner-Oxenfeld અસર સુપરકન્ડક્ટરના મોટા ભાગમાંથી ચુંબકીય ક્ષેત્રને સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિમાં સંક્રમણ દરમિયાન વિસ્થાપનમાં સમાવે છે. આ ઘટનાની શોધ 1933 માં જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ વોલ્ટર મેઇસનર અને રોબર્ટ ઓક્સેનફેલ્ડ દ્વારા કરવામાં આવી હતી, જેમણે ટીન અને સીસાના સુપરકન્ડક્ટિંગ નમૂનાઓ બહાર ચુંબકીય ક્ષેત્રના વિતરણને માપ્યું હતું.

વોલ્ટર Meissner

પ્રયોગમાં, સુપરકન્ડક્ટર્સ, લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં, લગભગ તમામ નમૂનાઓનું આંતરિક ચુંબકીય ક્ષેત્ર ફરીથી સેટ ન થાય ત્યાં સુધી તેમના સુપરકન્ડક્ટિંગ સંક્રમણ તાપમાનથી નીચે ઠંડું કરવામાં આવ્યું હતું. અસર વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા માત્ર પરોક્ષ રીતે જ મળી હતી, કારણ કે સુપરકન્ડક્ટરનો ચુંબકીય પ્રવાહ સચવાય છે: જ્યારે નમૂનાની અંદર ચુંબકીય ક્ષેત્ર ઘટે છે, ત્યારે બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર વધે છે.

આમ, પ્રયોગે પ્રથમ વખત સ્પષ્ટપણે દર્શાવ્યું હતું કે સુપરકન્ડક્ટર માત્ર આદર્શ વાહક જ નથી, પણ સુપરકન્ડક્ટિંગ રાજ્યની વિશિષ્ટ વ્યાખ્યાયિત મિલકત પણ દર્શાવે છે.ચુંબકીય ક્ષેત્રને સ્થાનાંતરિત કરવાની ક્ષમતા સુપરકન્ડક્ટરના એકમ કોષની અંદર તટસ્થતા દ્વારા રચાયેલી સંતુલનની પ્રકૃતિ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.

ઓછા અથવા ઓછા ચુંબકીય ક્ષેત્ર ધરાવતું સુપરકન્ડક્ટર મેઇસનર સ્થિતિમાં હોવાનું કહેવાય છે. પરંતુ જ્યારે લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્ર ખૂબ મજબૂત હોય ત્યારે મીસ્નર સ્થિતિ તૂટી જાય છે.

અહીં એ નોંધવું યોગ્ય છે કે આ ઉલ્લંઘન કેવી રીતે થાય છે તેના આધારે સુપરકન્ડક્ટર્સને બે વર્ગોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. પ્રથમ પ્રકારનાં સુપરકન્ડક્ટર્સમાં, જ્યારે લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રની મજબૂતાઈ જટિલ મૂલ્ય Hc કરતા વધારે હોય ત્યારે સુપરકન્ડક્ટિવિટીનું અચાનક ઉલ્લંઘન થાય છે.

નમૂનાની ભૂમિતિના આધારે, એક મધ્યવર્તી સ્થિતિ મેળવી શકાય છે, જે સામાન્ય સામગ્રીના પ્રદેશોની ઉત્કૃષ્ટ પેટર્ન જેવી જ હોય ​​છે જે ચુંબકીય ક્ષેત્રનું વહન કરે છે અને સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રીના પ્રદેશો સાથે મિશ્રિત હોય છે જ્યાં કોઈ ચુંબકીય ક્ષેત્ર નથી.

પ્રકાર II સુપરકન્ડક્ટર્સમાં, લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રની શક્તિને પ્રથમ નિર્ણાયક મૂલ્ય Hc1 સુધી વધારવાથી મિશ્ર સ્થિતિ (વમળ સ્થિતિ તરીકે પણ ઓળખાય છે) તરફ દોરી જાય છે, જેમાં વધુને વધુ ચુંબકીય પ્રવાહ સામગ્રીમાં પ્રવેશ કરે છે, પરંતુ ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ સામે કોઈ પ્રતિકાર નથી. જ્યાં સુધી આ પ્રવાહ ખૂબ વધારે ન હોય.

બીજી નિર્ણાયક તાકાત Hc2 ના મૂલ્ય પર સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિનો નાશ થાય છે. મિશ્ર સ્થિતિ સુપરફ્લુઇડ ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહીમાં વમળોને કારણે થાય છે, જેને ક્યારેક ફ્લક્સોન્સ (ચુંબકીય પ્રવાહનું ફ્લક્સોન-ક્વોન્ટમ) કહેવામાં આવે છે કારણ કે આ વોર્ટિસ દ્વારા વહન કરવામાં આવતા પ્રવાહનું પરિમાણ કરવામાં આવે છે.

નિઓબિયમ અને કાર્બન નેનોટ્યુબના અપવાદ સિવાય સૌથી શુદ્ધ એલિમેન્ટલ સુપરકન્ડક્ટરો પ્રથમ પ્રકારના હોય છે, જ્યારે લગભગ તમામ અશુદ્ધિઓ અને જટિલ સુપરકન્ડક્ટર બીજા પ્રકારના હોય છે.

અસાધારણ રીતે, ફ્રિટ્ઝ અને હેઇન્ઝ લંડન ભાઈઓ દ્વારા મીસ્નર અસર સમજાવવામાં આવી હતી, જેમણે દર્શાવ્યું હતું કે સુપરકન્ડક્ટરની ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક મુક્ત ઊર્જા આ શરત હેઠળ ઓછી કરવામાં આવે છે:

આ સ્થિતિને લંડનનું સમીકરણ કહેવામાં આવે છે. તેમણે આગાહી કરી હતી કે સુપરકન્ડક્ટરમાં ચુંબકીય ક્ષેત્ર તેની સપાટી પર ગમે તેટલું મૂલ્ય ધરાવે છે તેમાંથી ઝડપથી ક્ષીણ થાય છે.

જો નબળા ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે, તો સુપરકન્ડક્ટર લગભગ તમામ ચુંબકીય પ્રવાહને વિસ્થાપિત કરે છે. આ તેની સપાટીની નજીક ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહોના દેખાવને કારણે છે. સપાટીના પ્રવાહોનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર સુપરકન્ડક્ટરના વોલ્યુમની અંદર લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રને તટસ્થ કરે છે. કારણ કે ક્ષેત્રનું વિસ્થાપન અથવા દમન સમય સાથે બદલાતું નથી, આનો અર્થ એ છે કે આ અસર બનાવતા પ્રવાહો (સીધા પ્રવાહો) સમય જતાં ક્ષીણ થતા નથી.

નમૂનાની સપાટીની નજીક, લંડનની ઊંડાઈની અંદર, ચુંબકીય ક્ષેત્ર સંપૂર્ણપણે ગેરહાજર નથી. દરેક સુપરકન્ડક્ટીંગ સામગ્રીની પોતાની ચુંબકીય ઘૂંસપેંઠ ઊંડાઈ હોય છે.

કોઈપણ સંપૂર્ણ વાહક શૂન્ય પ્રતિકાર પર સામાન્ય ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ડક્શનને કારણે તેની સપાટી પરથી પસાર થતા ચુંબકીય પ્રવાહમાં કોઈપણ ફેરફારને અટકાવશે. પરંતુ Meissner અસર આ ઘટનાથી અલગ છે.

જ્યારે પરંપરાગત વાહકને સ્થાયી રૂપે લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં સુપરકન્ડક્ટિંગ સ્થિતિમાં ઠંડુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે આ સંક્રમણ દરમિયાન ચુંબકીય પ્રવાહ બહાર ફેંકાય છે. આ અસરને અનંત વાહકતા દ્વારા સમજાવી શકાતી નથી.

પહેલેથી જ સુપરકન્ડક્ટિંગ મટિરિયલ પર ચુંબકનું પ્લેસમેન્ટ અને ત્યારપછીનું લેવિટેશન મેઇસ્નર અસરને પ્રદર્શિત કરતું નથી, જ્યારે મેઇસ્નર અસર પ્રદર્શિત થાય છે જો શરૂઆતમાં સ્થિર ચુંબકને પછીથી નિર્ણાયક તાપમાને ઠંડુ કરાયેલ સુપરકન્ડક્ટર દ્વારા ભગાડવામાં આવે છે.

મીસ્નર રાજ્યમાં, સુપરકન્ડક્ટર સંપૂર્ણ ડાયમેગ્નેટિઝમ અથવા સુપરડાયમેગ્નેટિઝમ દર્શાવે છે. આનો અર્થ એ છે કે કુલ ચુંબકીય ક્ષેત્ર તેમની અંદર શૂન્યની ખૂબ નજીક છે, સપાટીથી અંદરની તરફ ઘણું અંતર છે. ચુંબકીય સંવેદનશીલતા -1.

ડાયમેગ્નેટિઝમ એ સામગ્રીના સ્વયંસ્ફુરિત ચુંબકીયકરણની પેઢી દ્વારા વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે જે બાહ્ય રીતે લાગુ ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશાની બરાબર વિરુદ્ધ હોય છે. પરંતુ સુપરકન્ડક્ટર અને સામાન્ય સામગ્રીમાં ડાયમેગ્નેટિઝમની મૂળભૂત ઉત્પત્તિ ખૂબ જ અલગ છે.

સામાન્ય સામગ્રીમાં, જ્યારે બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્ર લાગુ કરવામાં આવે છે ત્યારે અણુના મધ્યવર્તી કેન્દ્રની આસપાસ ઇલેક્ટ્રોનના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિકલી પ્રેરિત ભ્રમણકક્ષાના પ્રત્યક્ષ પરિણામ તરીકે ડાયમેગ્નેટિઝમ થાય છે. સુપરકન્ડક્ટર્સમાં, સંપૂર્ણ ડાયમેગ્નેટિઝમનો ભ્રમ માત્ર ભ્રમણકક્ષાના સ્પિનને કારણે નહીં, લાગુ ક્ષેત્ર (મેઇસનર અસર પોતે) સામે વહેતા સતત રક્ષણાત્મક પ્રવાહોને કારણે ઉદ્ભવે છે.

મેઇસનર અસરની શોધ 1935માં ફ્રિટ્ઝ અને હેઈન્ઝ લંડન દ્વારા સુપરકન્ડક્ટિવિટીના અસાધારણ સિદ્ધાંત તરફ દોરી ગઈ. આ સિદ્ધાંત પ્રતિકારના અદ્રશ્યતા અને મીસ્નર અસરને સમજાવે છે. આનાથી અમને સુપરકન્ડક્ટિવિટી વિશે પ્રથમ સૈદ્ધાંતિક આગાહીઓ કરવાની મંજૂરી મળી.

જો કે, આ સિદ્ધાંત માત્ર પ્રાયોગિક અવલોકનોને સમજાવે છે, પરંતુ સુપરકન્ડક્ટિંગ ગુણધર્મોના મેક્રોસ્કોપિક મૂળની ઓળખને મંજૂરી આપતું નથી.આ પાછળથી, 1957 માં, બાર્ડીન-કૂપર-શ્રાઇફર સિદ્ધાંત દ્વારા સફળતાપૂર્વક કરવામાં આવ્યું હતું, જેમાંથી ઘૂંસપેંઠની ઊંડાઈ અને મીસ્નર અસર બંને અનુસરે છે. જો કે, કેટલાક ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ દલીલ કરે છે કે બાર્ડીન-કૂપર-શ્રિફર સિદ્ધાંત મીસ્નર અસરને સમજાવતો નથી.

Meissner અસર નીચેના સિદ્ધાંત અનુસાર લાગુ કરવામાં આવે છે. જ્યારે સુપરકન્ડક્ટિંગ સામગ્રીનું તાપમાન નિર્ણાયક મૂલ્યમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તેની આસપાસનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર અચાનક બદલાય છે, પરિણામે આવી સામગ્રીની આસપાસ કોઇલના ઘામાં EMF પલ્સ ઉત્પન્ન થાય છે. અને જ્યારે નિયંત્રણ કોઇલનો પ્રવાહ બદલાય છે, ત્યારે સામગ્રીની ચુંબકીય સ્થિતિને નિયંત્રિત કરી શકાય છે. આ ઘટનાનો ઉપયોગ વિશિષ્ટ સેન્સર્સનો ઉપયોગ કરીને અતિ-નબળા ચુંબકીય ક્ષેત્રોને માપવા માટે થાય છે.

ક્રાયોટ્રોન એ મીસ્નર અસર પર આધારિત સ્વિચિંગ ઉપકરણ છે. માળખાકીય રીતે, તેમાં બે સુપરકન્ડક્ટરનો સમાવેશ થાય છે. એક નિઓબિયમ કોઇલ ટેન્ટેલમ સળિયાની આસપાસ ઘા છે જેના દ્વારા નિયંત્રણ પ્રવાહ વહે છે.

જેમ જેમ નિયંત્રણ પ્રવાહ વધે છે તેમ તેમ ચુંબકીય ક્ષેત્રની શક્તિ વધે છે અને ટેન્ટેલમ સુપરકન્ડક્ટીંગ અવસ્થામાંથી સામાન્ય સ્થિતિમાં પસાર થાય છે.આ કિસ્સામાં, ટેન્ટેલમ વાયરની વાહકતા અને કંટ્રોલ સર્કિટમાં ઓપરેટિંગ પ્રવાહ બિન-રેખીયમાં બદલાય છે. રીત ક્રાયોટ્રોન્સના આધારે, ઉદાહરણ તરીકે, નિયંત્રિત વાલ્વ બનાવવામાં આવે છે.