更新时间：2023-07-30 17:49
迈斯纳效应（英文：Meissner Effect）是指，当材料通过冷却到其临界温度而转变为超导状态时，如果施加外部磁场，在此过程中会从超导体中排出磁场。
这种不寻常的现象是由，德国物理学家瓦尔特·迈斯纳 (Walther Meissner) 和罗伯特·奥克森菲尔德 (Robert Ochsenfeld) ，于1933年在测量超导锡和铅样品外部的磁场分布时首次观察到的。
内部几乎没有磁场或没有磁场的超导体被认为处于迈斯纳状态。当施加的磁场太强时，迈斯纳状态就会崩溃。根据击穿发生的方式，超导体可以分为两类，即I型和II型超导体。
自1911年荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）发现超导以来，超导一直是物理学家和工程师研究的重要领域。1933年，瓦尔特·迈斯纳 (Walther Meissner) 和罗伯特·奥克森菲尔德 (Robert Ochsenfeld) 发现，当材料冷却到临界温度以下并成为超导体时，他们会排除磁通量；这些材料变得抗磁性。他们发现，当物质在磁场存在下冷却到其临界温度以下时，以及在冷却后施加磁场时，都会发生这种情况。这种现象（或一对现象）称为迈斯纳效应，有时也称为迈斯纳-奥克森菲尔德效应（Measure 电压 drop in superconductor）。
超导是一种以冷却到临界温度以下的各种材料中电阻率消失为特征的现象，这一现象，由荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）于1911 年发现。
超导体，是一种当材料冷却到其临界温度以下时没有电阻的材料。当所有电阻消失时，超导体就成为完美的抗磁性材料。超导体汞在极低温度下（绝对零度273.15℃以上几度），其电阻消失，呈现超导状态，即汞的超导特性。
当超导体冷却到临界温度以下时，它们会排出磁场并且不允许磁场渗透到其内部。超导体中的这种现象称为迈斯纳效应。这种现象是由德国物理学家，瓦尔特·迈斯纳 (Walther Meissner) 和罗伯特·奥克森菲尔德 (Robert Ochsenfeld)，于1933年发现的。在一次实验中，他们测量了超导锡和铅样品外部的磁场。他们观察到，当样品在外部磁场存在的情况下冷却到转变（临界）温度以下时，样品外部的磁场值会增加。样品外部磁场的增加代表磁场从样品内部的排出。该现象表明，在超导状态下，样品会排斥外部磁场。
当超导体置于弱外部磁场H中时，磁场仅穿透超导体一段短距离λ，称为伦敦穿透深度，之后它迅速衰减至零。这称为迈斯纳效应，是超导性的一个决定性特征。对于大多数超导体，伦敦穿透深度约为100nm。
迈斯纳效应有时会与人们所期望的完美电导体中的抗磁性相混淆：根据楞次定律，当变化的磁场施加到导体上时，它将在导体中感应出电流，从而产生相反的磁力。在完美导体中，可以感应出任意大的电流，并且产生的磁场恰好抵消了施加的磁场。
迈斯纳效应与此不同，因为超导体会排斥所有磁场，而不仅仅是那些正在变化的磁场。假设我们有一种处于正常状态的材料，包含恒定的内部磁场，当材料冷却到临界温度以下时，我们会观察到内部磁场的突然排出。
弗里茨·伦敦 (Fritz London) 和海因茨·伦敦 (Heinz London) 兄弟解释了迈斯纳效应，他们表明，只要超导体中的 电磁自由能最小化，这个方程被称为伦敦方程，它预测超导体中的磁场从其表面的任何值开始呈指数衰减。
迈斯纳效应的理论解释之一来自伦敦方程，它表明，磁场在超导体内部20-40nm的距离内呈指数衰减。
迈斯纳效应并不总是被观察到。当外部磁场非常强时，材料可能无法进入超导状态，因此不会发生迈斯纳效应。而且，当所施加的磁场具有中等强度时，这种现象可能仅部分发生，内部磁场减小但未完全排出。所讨论的特定超导体、其形状、尺寸和杂质的存在都是影响迈斯纳效应程度的因素。通过将四氧化三铁放在超导材料上，使磁铁悬浮，可以从视觉上证明迈斯纳效应。
材料成为超导体的状态称为迈斯纳状态（Meissner State）。当磁场进一步增加到指定值时，材料的行为就像普通导体一样，迈斯纳状态被打破。这个指定的磁场值称为临界磁场。
当磁场（外部磁场或由电流流动的超导体本身产生）增加超过一定值并且样品开始表现得像普通导体时，这种迈斯纳状态就会被打破。
超导体恢复到正常状态的一定磁场值称为临界磁场。临界磁场的值取决于温度。当低于临界温度的温度降低时，临界磁场的值增加。下图显示了临界磁场随温度的变化。
当施加的磁场太大时，迈斯纳效应就会被打破。根据击穿发生的方式，超导体可以分为两类：
在II型超导体中，磁场并未被完全排除，而是被限制在材料内的细丝中。这些细丝处于正常状态，被超电流包围，处于所谓的涡流状态，此类材料可以承受更高的外部磁场并保持超导性。
高于临界温度，当施加磁场时，超导体不会产生显着影响，因为磁场能够不受阻碍地穿过超导体。如果超导体低于其临界温度，所施加的磁场将从超导体内部排出并在其周围弯曲。这些磁场被排出，因为在磁场的影响下，无阻力流动的表面电流发展为在超导体内产生磁化。这种磁化强度与磁场大小相等且方向相反，从而抵消了超导体内各处的磁场。这导致超导体的磁化率为-1，这意味着它表现出完美的抗磁性。
超导体内部对零磁场的约束不同于其零电阻所产生的完美抗磁性。零电阻意味着如果你试图磁化超导体，将会产生电流回路以完全抵消施加的磁场（楞次定律）。但是，如果材料在通过超导转变冷却时已经具有稳定的磁场，则预计磁场将保持不变。如果施加的磁场没有变化，即使在完美的导体中，也不会产生驱动电流的电压（法拉第定律）。因此，必须将主动排除磁场视为与零电阻不同的效果。AII 型材料会出现混合态迈斯纳效应。
如果导体已经具有稳定的磁场，然后通过过渡到零电阻状态而被冷却，成为完美的抗磁体，则磁场将有望保持不变。值得注意的是，超导体的磁性行为与完美的抗磁性不同。当它相变到超导状态时，它将主动排除任何存在的磁场。
导体将抵抗外部施加的磁场的任何变化。将感应出循环电流以抵抗导体中磁场的积聚（楞次定律）。在固体材料中，这称为抗磁性，完美的导体将是完美的抗磁性。也就是说，其中的感应电流不会遇到任何阻力，因此它们将持续存在完美抵消外部场变化所需的任何大小。这导致超导体的磁化率为-1，这意味着它表现出完美的抗磁性。
虽然许多材料表现出少量的抗磁性，但超导体却具有很强的抗磁性。由于抗磁体具有与任何施加的磁场相反的磁化强度，因此超导体会被磁场排斥。当磁体放置在超导体上方时，这种排斥力可能比重力更强，从而使磁体悬浮在超导体上方。这不是一个完全稳定的配置，使磁体在尝试调整其磁极方向时可以在超导体上方自由旋转。如果磁场被移除或超导体升至临界温度以上，表面电流和磁化强度就会消失，磁体将不再悬浮。
产生迈斯纳效应的原因是：当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而在深入超导区域总合成磁场为零。换句话说，这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。
因为对于电阻率ρ无限小的理想导体，根据欧姆定律E=ρJ，若ρ=0，则由麦克斯韦方程组▽×E=-δB/δt=0，由此可知在加磁场前后理想导体体内磁感应强度不发生变化，即B=C≠0，C为加入磁场前导体体内的磁感应强度。而超导体的迈斯纳效应要求深入超导区B=0。
迈斯纳效应的发现使得弗里茨·伦敦与海因茨·伦敦于1935年得出超导的现象理论。这套理论解释了无电阻运输与迈斯纳效应，并提供了早期的超导预测。然而，该理论仅解释了实验观察结果，无法识别超导特性的微观起源。1957年BCS理论成功地做到了这一点，由此产生了穿透深度和迈斯纳效应。然而，一些物理学家认为BCS理论并不能解释迈斯纳效应。
现时迈斯纳效应的理论，包括现象的伦敦理论、微观的BCS理论以及经典电动力学，明显离完整还有相当距离。问题在于描述电动势的法拉第电磁感应定律，在迈斯纳效应的静止条件下等于零，而现时的理论并没有提出其他电力来加速电子，直至电子达至伦敦方程所描述的超电流稳定态。很明显地，这样的加速对宏观的观测者而言不可能是瞬时的，因为会破坏因果原理。这个问题在有暂态超电流的系统内进行过分析这个模型是基于把库珀对当成零自旋的玻色子处理，结果在渐近时与伦敦方程一致。但是，解决问题还需要对詹姆斯·麦克斯韦劳伦兹电动力学作出一些有疑义的延伸。
迈斯纳效应是自发对称破缺的结果，是安德森-希格斯机制的一种表现形式。
超导体的迈斯纳效应可用作规范场的质量M（即倒数范围，，其中h为普朗克常数，c为光速）生成机制的重要范例。实际上，这个类似是希格斯机制的一个可交换例子。在高能物理中，电弱规范粒子W±及Z的质量，正是通过希格斯机制所生成的。长度跟超导理论的“伦敦穿透深度”是一样的。
迈斯纳效应在超导体的超导领域应用具有重要影响，例如磁共振成像 (MRI) 和粒子加速器。MRI 机器使用强磁场来创建人体内部结构的图像，迈斯纳效应允许使用液氦冷却磁体，从而减少其能耗并提高其稳定性。在粒子加速器中，超导磁体用于引导和聚焦粒子束，使它们能够达到极高的能量。磁悬浮是子弹头列车和超级高铁的主要概念，也是在迈斯纳效应的帮助下被发现的。下面列出了迈斯纳效应的一些应用：