Meißner-Ochsenfeld-Effekt

Unter dem Meißner-Ochsenfeld-Effekt versteht man die Eigenschaft von Supraleitern in der Meißner-Phase, ein von außen angelegtes magnetisches Feld vollständig aus ihrem Inneren zu verdrängen. Dieser Effekt wurde 1933 von Walther Meißner und Robert Ochsenfeld entdeckt. Die makroskopisch theoretische Erklärung des Meißner-Ochsenfeld-Effekts liefern die London-Gleichungen.

Grundlagen

Verdrängung des äußeren magnetischen Feldes durch einen Supraleiter.

Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt ist eine für Supraleiter sehr charakteristische Eigenschaft. Der supraleitende Zustand wird daher oft über den Meißner-Ochsenfeld-Effekt nachgewiesen und nicht über das Verschwinden des elektrischen Widerstands. Bemerkenswert ist zudem, dass der Effekt nicht von der Vorgeschichte des Materials abhängt, er ist damit in der Sprache der Thermodynamik reversibel. Meißner und Ochsenfeld wiesen so indirekt nach, dass der supraleitende Zustand ein echter thermodynamischer Zustand ist.

Ein Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatursupraleiter (ca. −200 °C).

Video des Supraleiters YBCO, über einer Magnetschiene schwebend

Alle Supraleiter zeigen einen vollständigen Meißner-Ochsenfeld-Effekt, solange die Temperatur eine kritische Temperatur $T_{\mathrm {c} }$ nicht überschreitet und das von außen angelegte Magnetfeld unterhalb einer kritischen Feldstärke $H_{\mathrm {c} }$ bleibt. Wegen der vollständigen Feldverdrängung spricht man auch von perfekten Diamagneten. Supraleiter zweiter Art zeigen oberhalb einer kritischen Feldstärke $H_{\mathrm {c1} }$ nur noch einen unvollständigen Meißner-Ochsenfeld-Effekt: In dieser sogenannten Shubnikov-Phase durchdringt das Magnetfeld den Supraleiter innerhalb dünner Röhren (Flussschläuche). In diesen Wirbeln ist der Supraleiter kein perfekter Diamagnet mehr; supraleitend ist er aber nach wie vor.

Bei nicht zu dünnen Werkstücken hängt der Meißner-Ochsenfeld-Effekt von der Reinheit und von der Homogenität des Supraleiters ab. Ein vollständiger Meißner-Ochsenfeld-Effekt kommt nur zustande, wenn die gesamte Probe supraleitend geworden ist. Ansonsten können sich Mischungszustände aus normal- und supraleitenden Bereichen bilden. Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt eignet sich somit, um die Qualität eines Supraleiters zu beurteilen. Der elektrische Widerstand wird dagegen praktisch bereits Null, wenn nur einige zusammenhängende supraleitende „Fäden“ entstanden sind, die den Körper kurzschließen.

Zwei Herangehensweisen an den Meißner-Ochsenfeld-Effekt

Im ersten Fall überführt man das Material zunächst durch Abkühlen in den supraleitenden Zustand und bringt es anschließend in ein äußeres Magnetfeld. Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt ist in diesem Falle auch klassisch verständlich: Gemäß der Lenzschen Regel werden innerhalb des Supraleiters Ströme induziert, die das Magnetfeld abschirmen. Wegen des verschwindend kleinen elektrischen Widerstands bleiben diese Ströme dauerhaft erhalten und führen zum diamagnetischen Verhalten.

Im zweiten Fall kehrt man die Reihenfolge um: Zunächst bringt man das normalleitende Material in ein äußeres Magnetfeld. Nach kurzer Zeit wird das Magnetfeld die Probe durchsetzen (siehe Abbildung links oben). Kühlt man dann die Probe ab, so dass sie supraleitend wird, treten dieselben Abschirmströme wie im ersten Fall (siehe Abbildung rechts oben) auf – entgegen jeder klassischen Vorstellung!

Vorbild für den Higgs-Mechanismus

Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt der Supraleitung dient auch als Vorbild für den sog. Higgs-Mechanismus, durch den in der Hochenergiephysik die Masse der Eichteilchen der Elektroschwachen Wechselwirkung generiert wird. Einzelheiten sind dort beschrieben.

Literatur

• Walther Meißner, Robert Ochsenfeld: Ein neuer Effekt bei Eintritt der Supraleitfähigkeit. In: Naturwissenschaften. Band 21, Nr. 44, 1933, S. 787–788, doi:10.1007/BF01504252. 
• Horst Stöcker: Taschenbuch der Physik. 4. Auflage, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4

Siehe auch

• Supraleitendes Magnetlager
• Kryotron

Medien

Commons: Meißner-Ochsenfeld-Effekt – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien