Efecte Meissner i el seu ús

L'efecte Meissner o efecte Meissner-Oxenfeld consisteix en el desplaçament d'un camp magnètic de la major part del superconductor durant la seva transició a l'estat superconductor. Aquest fenomen va ser descobert l'any 1933 pels físics alemanys Walter Meissner i Robert Oxenfeld, que van mesurar la distribució del camp magnètic fora de mostres superconductores d'estany i plom.

Walter Meissner

A l'experiment, els superconductors, en presència d'un camp magnètic aplicat, es van refredar per sota de la seva temperatura de transició superconductora fins que gairebé tot el camp magnètic intern de les mostres es va restablir. L'efecte va ser detectat pels científics només indirectament, perquè es conserva el flux magnètic del superconductor: quan el camp magnètic dins de la mostra disminueix, el camp magnètic extern augmenta.

Així, l'experiment va demostrar clarament per primera vegada que els superconductors no només són conductors ideals, sinó que també demostren una propietat definidora única de l'estat superconductor.La capacitat de desplaçar el camp magnètic està determinada per la naturalesa de l'equilibri format per la neutralització dins de la cèl·lula unitat del superconductor.

Es diu que un superconductor amb poc o cap camp magnètic es troba en estat de Meissner. Però l'estat de Meissner es trenca quan el camp magnètic aplicat és massa fort.

Val la pena assenyalar aquí que els superconductors es poden dividir en dues classes segons com es produeixi aquesta violació.En els superconductors del primer tipus, la superconductivitat es viola bruscament quan la intensitat del camp magnètic aplicat és superior al valor crític Hc .

Depenent de la geometria de la mostra, es pot obtenir un estat intermedi, similar al patró exquisit de regions de material normal que porten un camp magnètic barrejat amb regions de material superconductor on no hi ha camp magnètic.

En els superconductors de tipus II, augmentar la força del camp magnètic aplicat fins al primer valor crític Hc1 condueix a un estat mixt (també conegut com a estat de vòrtex), en el qual cada cop més flux magnètic penetra el material, però no hi ha resistència al corrent elèctric. tret que aquest corrent no sigui massa alt.

Al valor de la segona força crítica Hc2 l'estat superconductor es destrueix. L'estat mixt és causat per vòrtexs en un fluid d'electrons superfluid, que de vegades s'anomenen fluxons (fluxó-quantum de flux magnètic) perquè el flux transportat per aquests vòrtexs es quantifica.

Els superconductors elementals més purs, amb l'excepció del niobi i els nanotubs de carboni, són del primer tipus, mentre que gairebé totes les impureses i els superconductors complexos són del segon tipus.

Fenomenològicament, l'efecte Meissner va ser explicat pels germans Fritz i Heinz London, que van demostrar que l'energia lliure electromagnètica d'un superconductor es minimitza amb la condició:

Aquesta condició s'anomena equació de Londres. Va predir que el camp magnètic d'un superconductor decau exponencialment a partir del valor que tingui a la superfície.

Si s'aplica un camp magnètic feble, aleshores el superconductor desplaça gairebé tot el flux magnètic. Això es deu a l'aparició de corrents elèctrics prop de la seva superfície.El camp magnètic dels corrents superficials neutralitza el camp magnètic aplicat dins del volum del superconductor. Com que el desplaçament o la supressió del camp no canvia amb el temps, això vol dir que els corrents que creen aquest efecte (corrents directes) no decauen amb el temps.

A prop de la superfície de la mostra, dins de la profunditat de Londres, el camp magnètic no està completament absent. Cada material superconductor té la seva pròpia profunditat de penetració magnètica.

Qualsevol conductor perfecte evitarà qualsevol canvi en el flux magnètic que passi per la seva superfície a causa de la inducció electromagnètica normal a resistència zero. Però l'efecte Meissner és diferent d'aquest fenomen.

Quan un conductor convencional es refreda a un estat superconductor en presència d'un camp magnètic aplicat permanentment, el flux magnètic es llança durant aquesta transició. Aquest efecte no es pot explicar per conductivitat infinita.

La col·locació i la posterior levitació d'un imant sobre un material ja superconductor no presenta l'efecte Meissner, mentre que l'efecte Meissner s'exhibeix si l'imant inicialment estacionari és posteriorment repel·lit pel superconductor refrigerat a una temperatura crítica.

En l'estat de Meissner, els superconductors presenten un diamagnetisme o superdiamagnetisme perfecte. Això significa que el camp magnètic total està molt a prop de zero en el seu interior, a una gran distància cap a dins de la superfície. Susceptibilitat magnètica -1.

El diamagnetisme es defineix per la generació d'una magnetització espontània d'un material que és exactament oposada a la direcció d'un camp magnètic aplicat externament, però l'origen fonamental del diamagnetisme en superconductors i materials normals és molt diferent.

En materials ordinaris, el diamagnetisme es produeix com a resultat directe de la rotació orbital induïda electromagnèticament dels electrons al voltant dels nuclis atòmics quan s'aplica un camp magnètic extern. En els superconductors, la il·lusió de diamagnetisme perfecte sorgeix a causa dels corrents de blindatge constants que flueixen contra el camp aplicat (el mateix efecte Meissner), no només pel gir orbital.

El descobriment de l'efecte Meissner va conduir l'any 1935 a la teoria fenomenològica de la superconductivitat de Fritz i Heinz London. Aquesta teoria explica la desaparició de la resistència i l'efecte Meissner. Això ens va permetre fer les primeres prediccions teòriques sobre la superconductivitat.

Tanmateix, aquesta teoria només explica les observacions experimentals, però no permet la identificació de l'origen macroscòpic de les propietats superconductores.Això es va fer amb èxit més tard, el 1957, per la teoria de Bardeen-Cooper-Schriefer, de la qual es desprèn tant la profunditat de penetració com l'efecte Meissner. Tanmateix, alguns físics argumenten que la teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer no explica l'efecte Meissner.

L'efecte Meissner s'aplica segons el principi següent. Quan la temperatura d'un material superconductor passa per un valor crític, el camp magnètic al seu voltant canvia bruscament, donant lloc a la generació d'un pols EMF a la bobina enrotllada al voltant d'aquest material. I quan canvia el corrent de la bobina de control, es pot controlar l'estat magnètic del material. Aquest fenomen s'utilitza per mesurar camps magnètics ultra febles mitjançant sensors especials.

Un criotró és un dispositiu de commutació basat en l'efecte Meissner. Estructuralment, consta de dos superconductors. Una bobina de niobi s'enrotlla al voltant d'una vareta de tàntal per on passa un corrent de control.

A mesura que augmenta el corrent de control, augmenta la força del camp magnètic i el tàntal passa de l'estat superconductor a l'estat ordinari.En aquest cas, la conductivitat del cable de tàntal i el corrent de funcionament al circuit de control canvien de manera no lineal. manera. A partir dels criotrons, per exemple, es creen vàlvules controlades.