Вращающиеся сверхпроводники и эффект Лондона: создание магнитного поля при вращении, сверхточная ориентация и применение в гироскопах, например, Gravity Probe B.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эффект вращающегося сверхпроводника
Effect of a rotating superconductor
Лондоновский момент (в честь Фрица Лондона) — это квантовомеханическое явление, при котором вращающийся сверхпроводник генерирует магнитное поле, ось которого точно совпадает с осью вращения. Этот термин также может относиться к магнитному моменту, возникающему при любом вращении сверхпроводника, вызванному отставанию электронов от вращения объекта, хотя напряжённость поля не зависит от плотности носителей заряда в сверхпроводнике.
The London moment (after Fritz London) is a quantum mechanical phenomenon whereby a spinning superconductor generates a magnetic field whose axis lines up exactly with the spin axis. The term may also refer to the magnetic moment of any rotation of any superconductor, caused by the electrons lagging behind the rotation of the object, although the field strength is independent of the charge carrier density in the superconductor.
Гравитационный зонд B
Магнетометр определяет ориентацию создаваемого поля, которая интерполируется для определения оси вращения. Гироскопы такого типа могут быть исключительно точными и стабильными. Например, используемые в эксперименте Gravity Probe B измеряли изменения ориентации оси вращения гироскопа с точностью лучше, чем 0,5 миллисекунды дуги (1,4 градуса) в течение одного года. Это эквивалентно угловому разрешению, равному ширине человеческого волоса, наблюдаемого с расстояния 32 километров (20 миль). Гироскоп GP B состоит из почти идеально сферической вращающейся массы, изготовленной из кварцевого стекла, который обеспечивает диэлектрическую поддержку тонкого слоя сверхпроводящего материала из ниобия. Для устранения трения, возникающего в обычных подшипниках, роторная сборка центрируется электрическим полем от шести электродов. После первоначального раскручивания струей гелия, которая разгоняет ротор до 4000 об/мин, отполированный корпус гироскопа откачивается до сверхвысокого вакуума для дальнейшего снижения сопротивления ротора. При условии, что электроника подвески остается включенной, экстремальная вращательная симметрия, отсутствие трения и низкое сопротивление позволят угловому моменту ротора поддерживать его вращение около 15 000 лет. Для контроля гироскопа используется чувствительный DC SQUID магнитометр, способный регистрировать изменения величиной всего в один квант, или около 2. Прецессия, или наклон, ориентации ротора вызывает сдвиг магнитного поля Лондона относительно корпуса. Движущееся поле проходит через сверхпроводящую петлю, закрепленную на корпусе, индуцируя небольшой электрический ток. Этот ток создает напряжение на шунтирующем сопротивлении, которое микропроцессор преобразует в сферические координаты. Система разработана для минимизации крутящего момента Лоренца, действующего на ротор.
A magnetometer determines the orientation of the generated field, which is interpolated to determine the axis of rotation. Gyroscopes of this type can be extremely accurate and stable. For example, those used in the Gravity Probe B experiment measured changes in gyroscope spin axis orientation to better than 0.5 milliarcseconds (1.4 degrees) over a one year period. This is equivalent to an angular separation the width of a human hair viewed from 32 kilometers (20 miles) away. The GP B gyro consists of a near perfect spherical rotating mass made of fused quartz, which provides a dielectric support for a thin layer of niobium superconducting material. To eliminate friction found in conventional bearings, the rotor assembly is centered by the electric field from six electrodes. After the initial spin up by a jet of helium which brings the rotor to 4,000 RPM, the polished gyroscope housing is evacuated to an ultra high vacuum to further reduce drag on the rotor. Provided the suspension electronics remain powered, the extreme rotational symmetry, lack of friction, and low drag will allow the angular momentum of the rotor to keep it spinning for about 15,000 years. A sensitive DC SQUID magnetometer able to discriminate changes as small as one quantum, or about 2, is used to monitor the gyroscope. A precession, or tilt, in the orientation of the rotor causes the London moment magnetic field to shift relative to the housing. The moving field passes through a superconducting pickup loop fixed to the housing, inducing a small electric current. The current produces a voltage across a shunt resistance, which is resolved to spherical coordinates by a microprocessor. The system is designed to minimize Lorentz torque on the rotor.
Этимология
Назван в честь физика Фрица Лондона, а «момент» здесь относится к магнитному моменту.
Named for the physical scientist Fritz London, and moment as in magnetic moment.