اثر مايسنر

Meissner effect - Effet Meissner

أثر مايسنر

فخري كتوت 

يعدّ أثر مايسنر Meissner effect الخاصة الرئيسة الثانية للنواقل الفائقة، وتتناول تأثير الحقل المغنطيسي عليها. فقد لاحظ الفيزيائي أونس H.Onnes الحالة فائقة

الشكل (1) : يمثل المحور الأفقي درجة الحرارة و المحور الشاقولي المقاومة الكهربائية

الشكل (2) ء

الناقلية للمعادن عام 1911 من خلال تجاربه على دراسة الناقلية الكهربائية للزئبق في درجات الحرارة المنخفضة. فوجد أن المقاومة النوعية الكهربائية r (المقاومية الكهربائية) تتلاشى على نحو مفاجئ عند الدرجة j4.2K⁰ (الشكل 1)، إذ تكون المقاومة النوعية صغيرة فوق هذه الدرجة لكنها محدودة، في حين تصبح المقاومة النوعية دون هذه الدرجة صغيرة جداً قريبة من الصفر. وأصبحت تدعى درجة الحرارة التي يحدث عندها الانتقال بدرجة الحرارة الحرجة T_e. وعدّ أونس أنه يتعامل مع حالة جديدة تماماً للمادة ودعاها بالحالة فائقة الناقلية. وقد تبيّن فيما بعد وجود مواد كثيرة تسلك مثل هذا السلوك، كما تبيّن أن هذا التحول يشبه تحولات طورية معروفة مثل تحول بخار – سائل عند نقطة التبخر أو تحول المغنطة الحديدية إلى طردية عند درجة حرارة كوري.

تعني المقاومة المعدومة مرور تيار كهربائي من دون أن يتناقص فرق الكمون بين طرفي الناقل، وبالتالي من دون أن تتبدّد الطاقة التي يحملها التيار، إذ يتحول في النواقل العادية - عادة - جزء من الطاقة إلى طاقة حرارية. لكنه وجد أن النواقل الفائقة نفسها تفقد هذه الخاصة عندما تتجاوز قيمة التيار قيمة معينة دعيت التيار الحرج I_c. وبما أن التيار مرتبط بالحقل الكهربائي والحقل الكهربائي مرتبط بالحقل المغنطيسي وفق إحدى معادلات مكسويل كان لابد من إكمال توصيف هذا التحول بدراسته مغنطيسياً. لاحظ العالمان الألمانيان مايسنر وأوشن فيلد   Ochsenfeld  عام j1933 أن النواقل الفائقة عندما تُبرَّد إلى درجات حرارة أقل من الدرجة الحرجة فإنها تطرد تماماً خطوط حقل التحريض المغنطيسي  B  من المادة (الشكل 2)

ويستمر طرد التدفق المغنطيسي هذا مادامت  درجة الحرارة أقل من ( T < T_c )، وهذه ظاهرة جديدة لا يمكن تفسيرها اعتماداً على انعدام المقاومية الكهربائية فقط، وقد عرفت هذه الظاهرة باسم أثر مايسنر. كما وجد أن هذا الأثر عكوس: فعندما ترتفع درجة الحرارة في المادة فائقة الناقلية(T_c) فوق  فان تدفق الحقل يخترق فجأة العينة، وذلك عند وصولها إلى الدرجة T_c لتصبح العينة بالتالي في الحالة العادية، وعندما تبرّد تعود إلى طرد خطوط الحقل المغنطيسي.

يمكن أن تقود الدراسة البسيطة لسلوك الناقل الفائق مغنطيسيا في درجات الحرارة  T < T_c ( بأخذ  B=0  داخل الناقل الفائق) إلى نتيجة مفيدة، فإذا أخذت عينة طويلة ورقيقة ذات محور موازٍ للحقل   B يكون وفق العلاقة المعروفة في المغنطيسية بين حقل التحريض المغنطيسي    Bالحقل المغنطيسي   H: 

 B = µ₀ (H +M) = µ₀ (1 + x)H

حيث  M شعاع التمغنط للمادة (التمغنط المتحرّض في المادة) وא الطواعية المغنطيسية.

كما وجد في الحالة فائقة الناقلية  عندما تُكتب B = 0 داخل العينة أن:

M = - H

 

وهذا يعني أن شعاع التمغنط يعاكس ويساوي بالقيمة شدة الحقل المغنطيسي، والوسط إذن عكسي المغنطة، فتمغنط الوسط يعاكس الحقل المطبق، وبالتالي فإن الطواعية المغنطيسية:

 = -1א

وتعرف هذه الحالة بالحالة المغنطيسية العكسية الكاملة، فإذا رسم شعاع التمغنط بدلالة الحقل المغنطيسي المطبق (الشكل 3)

وهكذا فان أثر مايسنر يقترح أن المغنطيسية العكسية الكاملة هي صفة أساسية للحالة فائقة

الشكل (3) ء

 الناقلية. غير أنه تبين عملياً إمكان اختراق الحقل المغنطيسي طبقة رقيقة من المادة قبل أن ينعدم، يسمى سمك هذه الطبقة عمق الاختراق، ويختلف عمق الاختراق باختلاف شدة الحقل المغنطيسي المطبق وبالتالي بما تظهره المادة من تمغنط في الشكل.

سلط أثر مايسنر الأضواء على المواد فائقة الناقلية وجعل خواصها مفهومة بصورة أفضل، وبالتالي الاستفادة منها، كما أظهر تناقضاً مع القوانين التقليدية.إذ إن المادة فائقة الناقلية ذات المقاومية الكهربائية المعدومة فقط ( T < T_c )، لا تفسر ظهور أثر مايسنر؛ فوفق قانون أوم  E = ρ J وجد أنه عندما تسعى المقاومية النوعية  ρ إلى الصفر وتبقى  J محدودة فإن  E تسعى إلى الصفر، وبالتالي وفق قانون ماكسويل الآتي:

 مما يقود إلى أن  B ثابت وليس صفراً في الحالة فائقة الناقلية.

من جهة أخرى، فقد لاحظ العلماء أن الناقلية الفائقة يمكن أن تزول عند تطبيق حقل مغنطيسي شديد، يدعى بالحقل الحرج (H_c) وعندها تستعيد المادة مقاومتها الكهربائية حتى عند درجات الحرارة T < T_c. وتتعلق قيمة هذا الحقل الحرج H_c بدرجة الحرارة ضمن المجال بين الصفر المطلق ودرجة الحرارة الحرجة. فقد درس تغير شعاع تمغنط المادة M في تجارب مايسنر – أوشن فيلد بدلالة الحقل المغنطيسي المطبق فوجد أنه يأخذ الشكل (4)، إذ يصبح شعاع التمغنط صفراً فوق درجة الحرارة الحرجة، وتدعى المواد التي تملك الشكل السابق بالمواد فائقة الناقلية من النوع الأول I .

الشكل (5) : سلوك النواقل الفائقة من النوع الثاني مع زيادة الحقل المغنطيسي	الشكل (4) : يمثل المحور الأفقي قيمة الحقل المغناطيسي المطبق و المحور الشاقولي تمغنط العينة  ( تلاحظ الإشارة السالبة )

غير أن هناك مواد فائقة الناقلية أخرى، ليس لها صفة عكسية المغنطة الكاملة، وبالتالي تخترقها خطوط الحقل جزئياً، فتنقسم المادة بين مناطق فائقة الناقلية ومناطق عادية، فتعطي منحنياً من نوع مختلف قليلاً يظهر ذلك في الشكل (5)، ويظهر في الشكل قيمة أولى للحقل المغنطيسي عند بداية الاختراق H_c1 وقيمة ثانية عندما يكون الاختراق تاماً( H_c2) تدعى عندها هذه المواد بالمواد فائقة الناقلية من النوع الثاني  II. 

إن طرد الحقول المغنطيسية الناتجة من أثر مايسنر، تؤدي إلى قوة رفع مغنطيسية متبادلة بين المغانط والمواد فائقة الناقلية، مما أدى إلى استثمارها في تقليل الاحتكاك بينها، وجعل الوسادة هوائية في القطارات أو في العنفات وغيرها.

مراجع للاستزادة: - C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, John Wiley & Sons Inc, 1976.

---

- التصنيف : الكيمياء والفيزياء - النوع : الكيمياء والفيزياء - المجلد : المجلد الأول - رقم الصفحة ضمن المجلد : 243 مشاركة :