Efecto Meissner y su uso

El efecto Meissner o efecto Meissner-Oxenfeld consiste en el desplazamiento de un campo magnético del grueso del superconductor durante su transición al estado superconductor. Este fenómeno fue descubierto en 1933 por los físicos alemanes Walter Meissner y Robert Oxenfeld, quienes midieron la distribución del campo magnético fuera de muestras superconductoras de estaño y plomo.

walter meissner

En el experimento, los superconductores, en presencia de un campo magnético aplicado, se enfriaron por debajo de su temperatura de transición superconductora hasta que se restableció casi todo el campo magnético interno de las muestras. Los científicos detectaron el efecto solo indirectamente, porque el flujo magnético del superconductor se conserva: cuando el campo magnético dentro de la muestra disminuye, el campo magnético externo aumenta.

Por lo tanto, el experimento mostró claramente por primera vez que los superconductores no solo son conductores ideales, sino que también demuestran una propiedad definitoria única del estado superconductor.La capacidad de cambiar el campo magnético está determinada por la naturaleza del equilibrio formado por la neutralización dentro de la celda unitaria del superconductor.

Se dice que un superconductor con poco o ningún campo magnético está en estado de Meissner. Pero el estado de Meissner se rompe cuando el campo magnético aplicado es demasiado fuerte.

Vale la pena señalar aquí que los superconductores se pueden dividir en dos clases dependiendo de cómo ocurra esta violación En los superconductores del primer tipo, la superconductividad se viola abruptamente cuando la fuerza del campo magnético aplicado supera el valor crítico Hc.

Dependiendo de la geometría de la muestra, se puede obtener un estado intermedio, similar al patrón exquisito de regiones de material normal que lleva un campo magnético mezclado con regiones de material superconductor donde no hay campo magnético.

En los superconductores de tipo II, aumentar la intensidad del campo magnético aplicado al primer valor crítico Hc1 conduce a un estado mixto (también conocido como estado de vórtice), en el que cada vez más flujo magnético penetra en el material, pero no hay resistencia a la corriente eléctrica. a menos que esta corriente no sea demasiado alta.

Al valor de la segunda fuerza crítica Hc2 se destruye el estado superconductor. El estado mixto es causado por vórtices en un fluido de electrones superfluido, que a veces se denominan fluxones (fluxon-quantum of magnetic flux) porque el flujo transportado por estos vórtices está cuantizado.

Los superconductores elementales más puros, a excepción del niobio y los nanotubos de carbono, son del primer tipo, mientras que casi todas las impurezas y los superconductores complejos son del segundo tipo.

Fenomenológicamente, el efecto Meissner fue explicado por los hermanos Fritz y Heinz London, quienes demostraron que la energía libre electromagnética de un superconductor se minimiza bajo la condición:

Esta condición se llama ecuación de London. Predijo que el campo magnético en un superconductor decae exponencialmente desde cualquier valor que tenga en la superficie.

Si se aplica un campo magnético débil, el superconductor desplaza casi todo el flujo magnético. Esto se debe a la aparición de corrientes eléctricas cerca de su superficie, el campo magnético de las corrientes superficiales neutraliza el campo magnético aplicado dentro del volumen del superconductor. Dado que el desplazamiento o supresión del campo no cambia con el tiempo, esto significa que las corrientes que crean este efecto (corrientes continuas) no decaen con el tiempo.

Cerca de la superficie de la muestra, dentro de la profundidad de Londres, el campo magnético no está completamente ausente. Cada material superconductor tiene su propia profundidad de penetración magnética.

Cualquier conductor perfecto evitará cualquier cambio en el flujo magnético que pasa a través de su superficie debido a la inducción electromagnética normal con resistencia cero. Pero el efecto Meissner es diferente de este fenómeno.

Cuando un conductor convencional se enfría a un estado superconductor en presencia de un campo magnético aplicado permanentemente, el flujo magnético se expulsa durante esta transición. Este efecto no puede explicarse por la conductividad infinita.

La colocación y posterior levitación de un imán sobre un material ya superconductor no presenta el efecto Meissner, mientras que el efecto Meissner se presenta si el imán inicialmente estacionario es luego repelido por el superconductor enfriado a una temperatura crítica.

En el estado de Meissner, los superconductores exhiben diamagnetismo perfecto o superdiamagnetismo. Esto significa que el campo magnético total es muy cercano a cero en su interior, a una gran distancia de la superficie. Susceptibilidad magnética -1.

El diamagnetismo se define por la generación de magnetización espontánea de un material que es exactamente opuesta a la dirección de un campo magnético aplicado externamente, pero el origen fundamental del diamagnetismo en superconductores y materiales normales es muy diferente.

En los materiales ordinarios, el diamagnetismo se produce como resultado directo de la rotación orbital de electrones inducida electromagnéticamente alrededor de los núcleos atómicos cuando se aplica un campo magnético externo. En los superconductores, la ilusión del diamagnetismo perfecto surge debido a las constantes corrientes de protección que fluyen contra el campo aplicado (el propio efecto Meissner), no solo por el giro orbital.

El descubrimiento del efecto Meissner condujo en 1935 a la teoría fenomenológica de la superconductividad de Fritz y Heinz London. Esta teoría explica la desaparición de la resistencia y el efecto Meissner. Esto nos permitió hacer las primeras predicciones teóricas sobre la superconductividad.

Sin embargo, esta teoría solo explica las observaciones experimentales, pero no permite identificar el origen macroscópico de las propiedades superconductoras.Esto se hizo con éxito más tarde, en 1957, mediante la teoría de Bardeen-Cooper-Schriefer, de la que se derivan tanto la profundidad de penetración como el efecto Meissner. Sin embargo, algunos físicos argumentan que la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer no explica el efecto Meissner.

El efecto Meissner se aplica según el siguiente principio. Cuando la temperatura de un material superconductor pasa por un valor crítico, el campo magnético a su alrededor cambia abruptamente, lo que da como resultado la generación de un pulso EMF en la bobina enrollada alrededor de dicho material. Y cuando cambia la corriente de la bobina de control, se puede controlar el estado magnético del material. Este fenómeno se utiliza para medir campos magnéticos ultradébiles utilizando sensores especiales.

Un criotrón es un dispositivo de conmutación basado en el efecto Meissner. Estructuralmente, consta de dos superconductores. Una bobina de niobio se enrolla alrededor de una barra de tantalio a través de la cual fluye una corriente de control.

A medida que aumenta la corriente de control, aumenta la fuerza del campo magnético y el tantalio pasa del estado superconductor al estado ordinario. En este caso, la conductividad del cable de tantalio y la corriente de operación en el circuito de control cambian de forma no lineal. manera. Sobre la base de criotrones, por ejemplo, se crean válvulas controladas.