Эффект Мейснера

На рис. 1 показана схема опыта Камерлинга-Оннеса, который был сделан в 1911 г. в Лейдене. Голландский ученый изготовил катушку из свинца, подсоединил ее к источнику э. д. с. и, поместив катушку в жидкий гелий, охладил ее до температуры кипения гелия (4,2 К). При этом электрическое сопротивление свинца исчезло - он перешел в сверхпроводящее состояние. Затем он изменил положение ключей и замкнул катушку накоротко - по ней начал циркулировать незатухающий сверхпроводящий ток.

Рис. 1

Этот ток создает магнитное поле, индукция которого пропорциональна силе тока. Казалось бы, чем сильнее ток в катушке, тем большее магнитное поле можно получить таким образом. Результат, однако, оказался разочаровывающим: при индукции поля в несколько сотых долей тесла соленоид переходил в нормальное состояние (у него появлялось сопротивление). Пытались делать катушки из других сверхпроводников, но и в них разрушение сверхпроводимости происходило при сравнительно малых магнитных полях. В чем же дело?

Рис. 2

Разгадку такого "неудобного" поведения сверхпроводников нашли в 1933 г. в Берлине в лаборатории В. Мейснера. Оказалось, что сверхпроводник обладает свойством полностью вытеснять из себя магнитное поле; в его толще индукция магнитного поля равна нулю. Представим себе, что металлический цилиндр (кусок проволоки) охладили до низкой температуры и перевели в сверхпроводящее состояние. Затем включили магнитное поле с индукцией В_внеш. По закону электромагнитной индукции на поверхности цилиндра появятся круговые токи (рис. 2), которые создадут в цилиндре магнитное поле с индукцией B_max, равной по величине и противоположной по направлению индукции внешнего поля. Эти токи - сверхпроводящие и затухать не будут. Поэтому в толще сверхпроводника суммарная индукция равна нулю: В = В_внеш+В_ток = 0. Линии индукции магнитного поля в сверхпроводник не проникают.

Ну, а что, если изменить последовательность операций - сначала поместить металл во внешнее магнитное поле, а затем охладить его до сверхпроводящего состояния. Казалось бы, индукция магнитного поля при этом не меняется и нет причин для возникновения экранирующих поверхностных токов. Именно так и думал Мейснер, когда проверял расчеты Лауэ, относящиеся к первому способу проведения эксперимента. Думать-то думал, но все-таки решил проверить. Результат измененного эксперимента получился удивительный. Оказалось, что и в этом случае магнитное поле полностью вытесняется из сверхпроводника, не проникая в него. Это явление назвали эффектом Мейснера.

Теперь ясно, почему магнитное поле разрушает сверхпроводимость. Ведь на возбуждение поверхностных токов тратится определенная энергия. В этом смысле сверхпроводящее состояние менее выгодное, чем нормальное состояние, когда магнитное поле проникает в металл и экранирующих поверхностных токов нет. Чем больше индукция внешнего поля, тем более сильный ток должен течь по поверхности, чтобы обеспечить экранировку. При некотором значении индукции магнитного поля сверхпроводимость обязательно разрушится, и металл перейдет в нормальное состояние. Поле, при котором происходит разрушение сверхпроводимости, называется критическим полем сверхпроводника. Важно понимать, что для разрушения сверхпроводимости необязательно внешнее магнитное поле. Ток, текущий по сверхпроводнику, сам создает магнитное поле. Когда при определенном значении тока индукция этого поля достигает значения, соответствующего критическому полю, сверхпроводимоеть разрушается.

Рис. 3

Величина критического поля растет с уменьшением температуры, но даже вблизи абсолютного нуля критическое поле у чистых сверхпроводников металлов невелико (см. рис. 3). В лучших случаях оно составляет всего десятые доли тесла. Так что, казалось бы, нечего и думать о создании сильных магнитных полей с помощью сверхпроводников.

Но дальнейшее исследование сверхпроводимости показало, что ситуация не безвыходна. Было обнаружено, что имеется целая группа сверхпроводников, которые и в очень сильных магнитных полях сохраняют сверхпроводимость.