Эффект Мейснера.

Идеальным диамагнетиком является сверхпроводник – в нем внутреннее магнитное поле равно нулю. Это явление известно как эффект Мейснера.

Н_о

I_вихр

I_инд

Н_вихр

Рис. Сверхпроводник в магнитном поле.

При внешнем магнитном поле Н_о в сверхпроводнике из-за крайне малого сопротивления возникнет сильный вихревой ток I_вихр . Он является причиной возникновения вихревого магнитного поля Н _вихр, направленного против внешнего поля Н_о. В свою очередь, поле Н_вихр создает индуцированный ток I_инд, направленный против вихревого тока I_вихр . В результате магнитные поля Н_о и Н_вихр, а также токи I_вихр и I_инд будут взаимно скомпенсированы (амплитуды токов практически равны из-за отсутствия сопротивления). Поле Н будет сосредоточено в тонком приповерхностном (скин) слое толщиной d, где протекает поверхностный ток

I_пов = H_o / d.

(Глубина, на которой плотность тока уменьшается в е раз, называется скин-слоем.

Толщина скин-слоя d: __________

d =  (   (    ) ,

где  - круговая частота,  - относительная магнитная проницаемость.)

Магнитное поле убывает экспоненциально вглубь проводника:

Н (x) = Н_o еxp(-х/d) .

По мере увеличения напряженности Н_о растет поверхностный ток I_пов , который увеличивает энергию электронов куперовской пары. Если эта энергия станет больше энергии связи куперовской пары, то она разрушится. Сверхпроводящее состояние исчезнет.

Поскольку Н_о = Н_вихр , В_о = В_i , внутри сверхпроводника индукция В = 0 и проницаемость  = 0 . Именно поэтому сверхпроводник и называют идеальным диамагнетиком.

Эффект левитации.

Левитация – это эффект парения в свободном пространстве. Для левитации сверхпроводников используется эффект Мейснера. Охлаждение ниже критической для сверхпроводников температуры создает условия фазового перехода из пара- или ферромагнитного состояния - в диамагнитное. В результате появляется сила отталкивания между диамагнитным объектом и постоянным магнитом

Рис. Левитация сверхпроводника (эффект Мейснера).

Эффект электромагнитной левитации создается магнитной силой F_m, противодействующей силе тяжести Mg. Возникает так называемая «магнитная подушка». Включается электромагнит - магнитный объект отталкивается от него.

Рис. Схема электромагнитной левитации.

Эффект магнитной левитации используется

- в двигателях с целью уменьшения трения,

- для поездов на «магнитной подушке» (MagLev),

- для транспортирования ферромагнитных объектов: магнитных деталей или держателей.

Малоразмерные объекты не требуют катушек индуктивности с большими токами в обмотках в отличие от макрообъектов. Именно большие токи и, следовательно, большие потери делают рациональным использование сверхпроводников для мощных магнитных систем.

Электронный парамагнитный резонанс.

Парамагнетики обладают небольшим постоянным магнитным моментом атомов. Они мало увеличивают магнитную индукцию образца. Магнитное взаимодействие между атомами парамагнетика пренебрежимо мало, поэтому характерный для уединенного атома эффект расщепления энергетического уровня в магнитном поле на ряд подуровней не искажается. Подуровни различаются магнитными квантовыми числами. Расстояние между подуровнями:

E = g _в _о H_о , где g - множитель Ланде.

m_l

3/2

g _в _о H_о

Исходный уровень

1/2

g _в _о H_о

- 1/2

g _в _о H_о

-3/2

Рис. Схема разделения уровня энергии свободного атома на подуровни в магнитном поле.

Переход на более высокий энергетический уровень может вызвать поглощение энергии электромагнитного поля, квант энергии которого:

h = g _в _о H_о.

Т.е. происходит резонансное (интенсивное) поглощение энергии электромагнитного поля на частоте, кратной . Этот эффект называют электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).

ЭПР используется для создания парамагнитных усилителей и генераторов, для исследования электронного состояния твердых тел, биологических объектов, химических (технологических) процессов в режиме реального времени.

Рис. Схема спектрометра ЭПР: 1 - микроволновый генератор, 2 – волновод, 3 - резонатор, 4 - магнит, 5 - детектор, 6 - усилитель, 7 – регистрирующее устройство.

Для защиты документов может быть использована «нано - магнитная метка». (Не поддается подделке из-за сложности получения нано - объектов.) Она идентифицируется в магнитном поле по частоте поглощения, вызванной магнитным резонансом (МР). Однако требуется высокочувствительный детектор, например, использующий электронный парамагнитный резонанс.

Рис. Внедрение наноматериала в микрочип электронной карты.

Воздействие внешнего переменного электромагнитного излучения радиоспектрометром (детектором - считывателем) с данной частотой на ядра новых наноматериалов, находящиеся в постоянном магнитном поле, приводит к избирательному (резонансному) поглощению энергии электромагнитного излучения и появлению сигнала МР. МР может использоваться для защиты ценных бумаг (денежных знаков, векселей и др.) и документов (микрочипов встроенных в бланки паспортно-визовых документов, кредитных карточек и р.) от возможных подделок и фальсификаций.

Парамагнетики	О (жидкий)	Pt	Al
м	+ 3.46 10-3	+ 2.93 10-4	+ 2.14 10-5