ابر رسانا و حالت شناوری نسبت به آهنربا

ابر رسانا و حالت شناوری نسبت به آهنربا:
در این مقاله سعی داریم به صورت کاملاً ساده و خلاصه توضیحی در مورد ابرسانا ها و پدیده ی جالب شناوری آنها روی آهنرباها را توضیح دهیم. در ابتدا میبینیم ابررسانا چیست و سپس به علت این پدیده ی جالب و کارآمد می پردازیم.

ابررسانایی چیست؟
ابررسانایی پدیده‌ای است که در دماهای بسیار پایین برای برخی از مواد رخ می‌دهد. در حالت ابررسانایی مقاومت الکتریکی ماده دقيقا صفر می‌شود و ماده خاصیت دیامغناطیس کامل پیدا می‌کند. مقاومت الکتریکی یک رسانای فلزی به تدریج با کاهش دما کم می‌شودپدیدهٔ ابررسانایی برای طیف وسیعی از مواد مانند قلع و آلومینیوم وجود دارد. همچنین برخی آلیاژها و نیمه‌رساناها نیز ابررسانا هستند،ولی فلزاتی مثل طلا و نقره این پدیده را از خود نشان نمی‌دهند.

اثر مایسنر و ارتباط آن با ابررسانایی چیست؟
اثر دیگری در مورد ابررساناها که از مقاومت صفر الکتریکی آنها کمتر دیده شده است. 20 سال پس از کشف ابررسانایی بعضی از مواد، مایسنر و اوچسنفلد، این اثر در مورد ابرساناها را مطرح کردند. آنها کشف کردند که اگر میدان مغناطیسی به یک قطعه قلع در شرایط ابررسانایی اعمال شود، میدان القایی درون آن صفر است یعنی B=0 . این خاصیت در مورد ابررساناها اثر مایسنر نامیده شد.
عدم حضور میدان در ابرسانا به زمان اعمال میدان ربطی نداشت. یعنی ماده چه قبل و بعد از اعمال میدان که به حالت ابررسانایی در می آمد، میدان درون آن صفر بود. در شرایط پایا، میدان مغناطیسی درونی صفر است و دلیل آن ایجاد یک میدان مغناطیسی مخالف به علت جریان الکتریکی کامل و بدون مقاومت در ابررسانا است.
همچنین این رفتار ابررساناها با توجه به قانون ماکسول در مورد میدان های مغناطیسی قابل توجیه نبود.
در حالت اول تصور کنید که یک رسانای قوی داریم. میدان مغناطیسی القایی درون این ماده طی مسیر و اندازه ی ثابتی محصور می شود. این یه آن معناست که میدان سرتاسر ماده ثابت است یعنی تغییرات B نسبت به تغییرات t صفر است. این مفهوم در شکل زیر مشخص است.
در بخش a از این شکل، یک رسانای قوی در عدم حضور میدان تا دمایی که در آن دما مقاومت صفر است، سرد می شود. زمانی که در این دما میدان القا می شود، جریان گردابی  روی سطح ماده به طوری ایجاد می شود تا میدان درونی ماده را صفر نگه دارد. در حالتی دیگر b در شرایطس که میدان مغناطیسی ثابتی به ماده اعمال شده است، دمای ماده در همان حین کم می شود که باعث می شود میدان مغناطیسی درون ماده به همان حالت باشد. زمانی که میدان القایی برداشته شود، میدان درونی ماده به همان حالت باقی می ماند و نشان می دهد که یک میدان مغناطیسی اطراف ماده حضور دارد.
واضح است که در این حالات، میدان مغناطیسی درون ماده ی رسانای قوی، به دمای ماده و زمان اعمال میدان مغناطیسی بستگی ندارد، بلکه به حالت اولیه ماده وابسته است.
در نقطه ی مقابل این وضعیت، ابررسانا قرار دارد، که در حالات c و d نشان داده شده است. چه وقتی ابررسانا در حضور میدان به دمای کمتر از حالت بحرانی برسد و یا در عدم حضور میدان، میدان درون ماده پس از حذف میدان مغناطیسی صفر است. میدان مغناطیسی در هر حالتی از ابررسانا بیرون رانده می شود. این اتفاق خود به خود با ایجاد جریان در سطح ابرراسنا بار ی تولید میدان مخالف بوجود می آید. در نتیجه 2 خصوصیت مقاومت الکتریکی صفر و میدان مغناطیسی صفر را می توان از ویژگی های کلیدی ابررسانا دانست.

چرا آهنربا و ابررساناها در مجاورت هم معلق می شوند؟
ابررسانا ها در برابر آهنرباها به دلیل اثر مایسنر به حالت معلق در نمی آید؛ بلکه به دلیل حصر کوانتومی است. نقاط بسیار کوچکی درون ابررسانای نازک، اجازه می دهند که میدان از آنها عبور کنند و آنها را محصور می کنند. آنها لوله های شار نامیده می شوند.
اثر مایسنر زمانی بوجود می آید که یک رسانای قوی به حالت ابررسانایی در آید و نزدیک یک آهنربا یا میدان مغناطیسی قرار بگیرد. قرار گرفتن آهنربا نزدیک ابررسانا یک مثالی برای حالت القای مغناطیسی و تعلیق مغناطیسی است.

بیشتر مثالها در مورد اثر مایسنر و القای الکترو مغناطیسی توسط تعلیق مغناطیسی انجام شده است. تلاش برای شناور کردن یک ابررسانای ضخیم (بدون داشتن حالت حصر کوانتومی) باعث می شود که با داشتن حالت متزلزل مغناطیسی شناور شود. بیشتر این آزمایشات با یک ابررسانای نازک موفقیت بخش بوده است.
یک میدان مغناطیسی به این دلیل نمی تواند از یک ابررسانا عبور کند؛ که پس از اعمال میدان (به علت مقاومت الکتریکی صفر) جریانی کامل و علیه میدان اولیه تولید می شود و میدان اولیه را دفع و خنثی می کند.
در واقع وقتی یک ابرسانا نزدیک آهنربا قرار بگیرد، به سرعت تبدیل به آهنربایی دیگر با همان قدرت می شود که دو جسم را مقابل یکدیگر و بدون انصال به حالت معلق در می آورد. در واقع مقدار قدرت و نیروی بین آنها به قدرت آهنربای اصلی بستگی دارد.
مفهومی که علاوه بر اثر مایسنر به توجیه پدیده ی تعلیق کمک می کند، حالت شار نقطه ای است گه در لایه های ثانوی ابررسانا ایجاد می شود. زمانی اتفاق می افتد که خطوط میدان مغناطیسی توسط ابررسانا محصور شود و توسط لوله هایی از ماده ی ابررسانا که توسط جریان های گردابی محاصره شده است، عبور می کند. این اتفاق حالتی را پدید می آورد که در آن ابررسانا ترجیح می دهد میدانی را به بزرگی همان میدانی که در ابتدا قصد حشور در ابررسانا را داشت، به وجود آورد. این پدیده در مورد ابرسانا می تواند در به قالب در آوردن هر شکل کلان و بزرگی از ابرسانا به قالب رینگی بوجود آید.