ขณะไม่มี สนามแม่เหล็ก ภายนอก สารตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด จะสามารถแสดง สภาพใด สภาพหนึ่ง เพียงอย่างเดียว เท่านั้น คือ จะแสดงสภาพ การนำไฟฟ้ายิ่งยวด เมื่อมีอุณหภูมิ ต่ำกว่าค่า อุณหภูมิวิกฤติ และ จะแสดงสภาพ ปกติเมื่อมีอุณหภูมิ สูงกว่าค่า อุณหภูมิวิกฤติ แต่เมื่อมีสนามแม่เหล็ก ภายนอกสาร ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ก็จะเกิดสภาวะ ที่บางส่วนแสดงสภาพ การนำไฟฟ้ายิ่งยวด และบางส่วนแสดงสภาพปกติซึ่ง รูปแบบ ของการเกิดบริเวณ ที่แสดงสภาพ การนำไฟฟ้ายิ่งยวดและบริเวณที่แสดง สภาพปกติจะสามารถแบ่งได้ 3 สถานะคือ
- สถานะปานกลาง (intermediate state)
- สถานะผสม (mixedstate)
- สถานะผิวนำไฟฟ้ายิ่งยวด (surface conductivity)

ค่าสภาพ แม่เหล็ก ของสาร ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ในบริเวณ ที่มีค่า ความเข้มสนาม แม่เหล็กต่างๆ กัน ผลที่ได้ จะแบ่งสาร ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ต่างๆออกเป็น 2 ชนิดคือ
1. ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดชนิดที่ 1 หรือ อย่างอ่อน ( Type 1 or Soft superconductor ) ส่วนใหญ่จะเป็นพวกธาตุต่างๆ
2. ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดชนิดที่ 2 หรืออย่างแข็ง (Type 2 or Hard superconductor ) ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพวกอัลลอยและสารประกอบ
ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด มีทั้ง
ประเภทที่สนามแม่เหล็กวิกฤติ มีค่าต่ำ = มักเป็นวัสดุที่มีความแข็งมาก และ
ประเภทที่สนามแม่เหล็กวิกฤติ มีค่าสูง = มักเป็นวัสดุที่มีความแข็งไม่มาก
ดังนั้น ถ้ามองด้านความแข็งของวัสดุอาจแบ่งออกเป็นตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดแบบอ่อน และตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดแบบแข็ง
แต่ในปัจจุบันประเภทของตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดมัก แบ่งตามคุณสมบัติทางแม่เหล็กเป็น 2 ประเภท เรียกว่า
ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่1 และตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่2
(เทียบได้กับ ประเภทอ่อน และประเภทแข็ง ตามลำดับ)

ลักษณะการเกิดเส้นแรงแม่เหล็กในตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดทั้ง 2 ประเภท
เมื่อมีสนามแม่เหล็กจากภายนอกป้อน มีดังรูปข้างล่าง นี้

คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประเภทที่ 2 จะเปลี่ยนแปลง ตามปริมาณของสาร เจือปน และวิธีการขึ้นรูป และกราฟการ เป็นแม่เหล็กก็มีรูป เป็น hysteresis การเพิ่มสารเจือปน หรือวิธีการขึ้นรูป อาจทำให้ ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประเภทที่ 1 กลายเป็นประเภทที่ 2 ได้ ตัวนำไฟฟ้า ที่กล่าวมาแล้ว มักจะหมายถึง ประเภทที่ 1
ความยาว ที่เป็นแฟกเตอร์ สำคัญ ในการกำหนด คุณสมบัติของ ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ได้แก่ penetrationdepth ของสนามแม่เหล็ก (l) และ coherencelength (x) แฟกเตอร์ตัวแรก แสดงความลึก ของการซึมซาบ หรือทะลุทะลวง ของสนามแม่เหล็ก เข้าสู่ภายใน ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ส่วนแฟกเตอร์สอง แสดงระยะทาง ขอบเขต ซึ่งคุณสมบัติ ของซูเปอร์คอนดักชัน อิเล็กตรอน ที่อยู่ภายใน ขอบเขต นั้นจะไม่เปลี่ยนแปลง ให้ ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประกอบด้วย ส่วนที่มีสภาพเป็น สารนำไฟฟ้ายิ่งยวด และส่วนที่มีสภาพเป็น ตัวนำไฟฟ้าธรรมดา ในสภาพเช่นนี้ สนามแม่เหล็ก ในส่วนที่เป็น ตัวนำธรรมดา จะมีค่า Hc เสมอ และสนามแม่เหล็ก Hc นี้ก็ซึมซาบ เข้าไปใน ส่วนที่ เป็น ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ด้วยความลึก l ในสภาพ perfect diamagnetic (m = -Hc) พลังงานฟรี (free energy) จะมีขนาด มากกว่า กรณี สนามแม่เหล็ก ซึมซาบ ได้อยู่ถึง

( -mom)dH = (moHc2)/2
ดังนั้น ที่บริเวณ พรหมแดนนั้น การซึมซาบ ของสนามแม่เหล็ก จะทำให้พลังงานแม่เหล็ก มีขนาดน้อยกว่า กรณีไม่ซึมซาบ เป็นปริมาณ l(moHc2)/2) แต่ในขณะเดียวกัน ความลึก x จากพรมแดน นั้นเป็นบริเวณ transition ที่กำลังเปลี่ยน จากสภาพ นำไฟฟ้าปกติ ไปสู่สภาพ นำไฟฟ้ายิ่งยวด เนื่องจากพลังงาน ของอิเล็กตรอน ในสถานะ นำไฟฟ้ายิ่งยวด มีค่าน้อยกว่า ในสถานะนำไฟฟ้าปกติ เป็นค่า (moHc2)/2) เพราะฉะนั้น การที่ย่าน transition มีความลึก x ทำให้พลังงาน ของอิเล็กตรอน มีค่าสูงขึ้น x(moHc2)/2) เมื่อเปรียบเทียบกับกรณีไม่มีย่าน transition เลย ดังนั้นพลังงานที่จำเป็นในการสร้างผิวพรมแดนต่อหน่วยพื้นที่คือ

aN.s @ (x-l).(moHc2)/2)

จาก สมการนี้ ทำให้เราทราบว่า ถ้า x > l พลังงาน จำเป็น ในการสร้าง พรมแดนมีค่า เป็นบวก เพราะฉะนั้น พรมแดน จะเกิดภายใน เนื้อตัว นำไฟฟ้ายิ่งยวด ยาก แต่ถ้า x < l aN, a จะมีค่า เป็นลบ แสดงว่า การสร้างพรมแดน ภายใน เนื้อตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด จะทำให้พลังงาน มีค่าลดลง นั่นคือ การมีส่วนที่ เป็นทั้ง ตัวนำไฟฟ้าปกติ และยิ่งยวด จะทำให้วัสดุ มีสถานะเสถียรภาพ
ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่ 1 ได้แก่ กรณี x > l และ
ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่ 2 ได้แก่ กรณี x < l

ถ้าวัสดุ เป็น ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประเภทที่ 1 เนื่องจาก พลังงาน aN,S ที่ผิวมีค่าเป็นบวก ตราบใดที่ Ha ยังมีค่าน้อยกว่า Hc ภายในวัสดุ จะไม่มีส่วนที่ เป็นตัวนำปกติ เลย วัสดุจึงแสดงปรากฏการณ์ ไมส์เนอร์ และ B ในวัสดุมีค่าศูนย์ แต่ถ้า Ha มีค่าสูงกว่า Hc วัสดุก็จะ กลายเป็น ตัวนำปกติ และ B =mo Ha
ถ้าวัสดุ เป็น ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประเภทที่ 2 เนื่องจาก พลังงาน ที่ผิว มีค่าลบ ดังนั้น ภายใน เนื้อวัสดุ จึงมีทั้ง ตัวนำปกติ และยิ่งยวด และกรณีนี้ จะมีได้ ก็คือ กรณี Ha มีค่าสูงเกิน ค่าใด ค่าหนึ่ง(Hc1) Hc1 เรียกว่า lower critical field ถ้า Ha มีค่าสูงกว่า Hc1 แต่ยังต่ำกว่า Hc2 (upper critical field) ใน เนื้อวัสดุ จะมีส่วน ทั้งที่เป็น ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด และปกติผสมกัน เมื่อ Ha มีค่า มากขึ้น ปริมาตร ของ ตัวนำไฟฟ้าปกติ ก็จะเพิ่มขึ้น และ เมื่อ Ha > Hc2 วัสดุ ก็จะกลายเป็น ตัวนำไฟฟ้าปกติ ทั้งหมด เราจะได้ทราบ ในภายหลัง ว่าเส้นแรงแม่เหล็ก ที่ซึมเข้าไปใน ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประเภทที่ 2 คือ

o = (h)/2e = 2.068 * 10 -15 Wb
โดยที่ o : magnetic flux quantum เป็นค่า ทางควอนตัม อย่างหนึ่ง


รูปนี้ การเรียงตัว เป็นรูปสามเหลี่ยม ของ flux-quantum line ซึ่งซึมเข้า สู่ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด ประเภทที่ 2 ลูกศร ชี้ขึ้น แสดง flux-quantum line (o) ลูกศร วงกลม แสดง กระแสไฟฟ้า หมุนรอบ flux-quantum line (o)
ในย่านที่ magnetic flux quantum เป็นรูปทรงกระบอกรัศมีเท่ากับ coherence length x นี้เป็นตัวนำไฟฟ้าปกติมีชื่อเรียกว่า normal core และ ถ้า magnetic flux quantum เป็นรูปเส้นมีชื่อเรียกว่า fluxon, fluxoid หรือ flux-quantum line เส้นเหล่านี้จะเรียงตัวเป็นรูปร่างแห 3 เหลี่ยมดังแสดงในรูป เนื่องจาก ความหนาแน่นของ เส้นแรงแม่เหล็ก โดยเฉลี่ย เท่ากับ ผลคูณของ จำนวน flux-quantum line ในหนึ่งหน่วยพื้นที่ และ o พราะฉะนั้น Hc2 จึงมีค่าประมาณ

o/px mo

หรือค่าโดยละเอียดคือ

Hc2 =o/(2px mo)

ถ้าเปรียบเทียบ ทั้งสมการ จะได้ว่า

Hc2 =2 x Hco , x = lL / x

โดยที่ x เรียกว่า Ginzburg-Landau parameter หรือเรียกสั้นๆ ว่า GL parameter จากสมการ ถ้า x1/2 จะทำให้ Hc > Hc2 และถ้า O < H < Hc จะทำให้เกิด perfect diamagnetic และเป็นวัสดุตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่ 1 ถ้า x >ึ1/2จะทำให้ Hc2 > Hc และแม้ H > Hc ก็จะทำให้เกิดสภาพนำไฟฟ้ายิ่งยวดที่มี flux-quantum line ซึมซาบอยู่และเป็นวัสดุตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่ 2 ในตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวดประเภทที่ 2 lower critical field Hc1 ซึ่ง magnetic flux เริ่มซึมซาบนั้นคำนวณได้ โดยการตั้งให้ส่วนลดของพลังงานที่เกิดจากการลดลงของ magnetization มีค่าเท่ากับส่วนเพิ่มของพลังงานที่เกิดจาก flux-quantum line

Hc1 = [(o)/(4pmolL) ] * lnx = [(Hco) /( 2x)] * lnx
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

จัดทำโดย
นางสาวมิตรภาณี พิพัฒนา
นักเรียนชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5.12 โรงเรียนสามัคคีวิทยาคม