Efeito Meissner - Meissner effect

Diagrama do efeito Meissner. As linhas de campo magnético, representadas como setas, são excluídas de um supercondutor quando ele está abaixo de sua temperatura crítica.

O efeito Meissner (ou efeito Meissner-Ochsenfeld ) é a expulsão de um campo magnético de um supercondutor durante sua transição para o estado supercondutor quando ele é resfriado abaixo da temperatura crítica. Essa expulsão repelirá um ímã próximo.

Os físicos alemães Walther Meissner e Robert Ochsenfeld descobriram esse fenômeno em 1933 medindo a distribuição do campo magnético fora das amostras supercondutoras de estanho e chumbo. As amostras, na presença de um campo magnético aplicado, foram resfriadas abaixo de sua temperatura de transição supercondutora , após o que as amostras cancelaram quase todos os campos magnéticos internos. Eles detectaram esse efeito apenas indiretamente porque o fluxo magnético é conservado por um supercondutor: quando o campo interno diminui, o campo externo aumenta. O experimento demonstrou pela primeira vez que os supercondutores eram mais do que apenas condutores perfeitos e forneciam uma propriedade de definição única do estado supercondutor. A capacidade do efeito de expulsão é determinada pela natureza do equilíbrio formado pela neutralização dentro da célula unitária de um supercondutor.

Diz-se que um supercondutor com pouco ou nenhum campo magnético dentro dele está no estado de Meissner. O estado de Meissner é interrompido quando o campo magnético aplicado é muito forte. Os supercondutores podem ser divididos em duas classes de acordo com a forma como essa quebra ocorre.

Em supercondutores do tipo I , a supercondutividade é destruída abruptamente quando a intensidade do campo aplicado aumenta acima de um valor crítico H _c . Dependendo da geometria da amostra, pode-se obter um estado intermediário que consiste em um padrão barroco de regiões de material normal carregando um campo magnético misturado com regiões de material supercondutor sem campo.

Em supercondutores do tipo II , elevar o campo aplicado além de um valor crítico H _{c 1} leva a um estado misto (também conhecido como estado de vórtice) em que uma quantidade crescente de fluxo magnético penetra no material, mas não permanece nenhuma resistência ao fluxo elétrico corrente , contanto que a corrente não seja muito grande. Em uma segunda intensidade de campo crítica H _{c 2} , a supercondutividade é destruída. O estado misto é causado por vórtices no superfluido eletrônico, às vezes chamados de fluxons, porque o fluxo carregado por esses vórtices é quantizado . A maioria dos supercondutores elementares puros , exceto nióbio e nanotubos de carbono , são do tipo I, enquanto quase todos os supercondutores impuros e compostos são do tipo II.

Explicação

O efeito Meissner recebeu uma explicação fenomenológica dos irmãos Fritz e Heinz London , que mostraram que a energia livre eletromagnética em um supercondutor é minimizada, desde que

${\ displaystyle \ nabla ^ {2} \ mathbf {H} = \ lambda ^ {- 2} \ mathbf {H} \,}$

onde H é o campo magnético e λ é a profundidade de penetração de Londres .

Essa equação, conhecida como equação de Londres , prevê que o campo magnético em um supercondutor decai exponencialmente de qualquer valor que ele possua na superfície. Esta exclusão do campo magnético é uma manifestação do superdiamagnetismo surgido durante a transição de fase de condutor para supercondutor, por exemplo, reduzindo a temperatura abaixo da temperatura crítica.

Em um campo aplicado fraco (menos do que o campo crítico que quebra a fase supercondutora), um supercondutor expele quase todo o fluxo magnético criando correntes elétricas perto de sua superfície, à medida que o campo magnético H induz magnetização M dentro da profundidade de penetração de Londres a partir do superfície. Essas correntes de superfície protegem o volume interno do supercondutor do campo externo aplicado. Como a expulsão ou cancelamento do campo não muda com o tempo, as correntes que produzem este efeito (chamadas correntes persistentes ou correntes de blindagem) não decaem com o tempo.

Perto da superfície, dentro da profundidade de penetração de Londres , o campo magnético não é completamente cancelado. Cada material supercondutor tem sua própria profundidade de penetração característica.

Qualquer condutor perfeito impedirá qualquer mudança no fluxo magnético que passa por sua superfície devido à indução eletromagnética comum com resistência zero. No entanto, o efeito Meissner é distinto deste: quando um condutor comum é resfriado para fazer a transição para um estado supercondutor na presença de um campo magnético aplicado constante, o fluxo magnético é expelido durante a transição. Este efeito não pode ser explicado pela condutividade infinita, mas apenas pela equação de Londres. A colocação e subseqüente levitação de um ímã acima de um material já supercondutor não demonstra o efeito Meissner, enquanto um ímã inicialmente estacionário sendo repelido por um supercondutor quando é resfriado abaixo de sua temperatura crítica, sim.

As correntes persistentes que existem no supercondutor para expelir o campo magnético são comumente mal interpretadas como resultado da Lei de Lenz ou da Lei de Faraday. Uma razão pela qual este não é o caso é que nenhuma mudança no fluxo foi feita para induzir a corrente. Outra explicação é que, uma vez que o supercondutor experimenta resistência zero, não pode haver uma fem induzida no supercondutor. A corrente persistente, portanto, não é resultado da Lei de Faraday.

Diamagnetismo perfeito

Supercondutores no estado de Meissner exibem diamagnetismo perfeito, ou superdiamagnetismo , o que significa que o campo magnético total é muito próximo de zero no interior deles (muitas profundidades de penetração da superfície). Isso significa que sua suscetibilidade magnética de volume é = -1. Os diamagneticos são definidos pela geração de uma magnetização espontânea de um material que se opõe diretamente à direção de um campo aplicado. No entanto, as origens fundamentais do diamagnetismo em supercondutores e materiais normais são muito diferentes. Em materiais normais, o diamagnetismo surge como resultado direto do spin orbital dos elétrons sobre os núcleos de um átomo induzido eletromagneticamente pela aplicação de um campo aplicado. Em supercondutores, a ilusão de diamagnetismo perfeito surge de correntes de blindagem persistentes que fluem para se opor ao campo aplicado (o efeito Meissner); não apenas o giro orbital. ${\ displaystyle \ chi _ {v}}$

Consequências

A descoberta do efeito Meissner levou à teoria fenomenológica da supercondutividade por Fritz e Heinz London em 1935. Essa teoria explicou o transporte sem resistência e o efeito Meissner, e permitiu que as primeiras previsões teóricas para a supercondutividade fossem feitas. No entanto, essa teoria apenas explicava observações experimentais - ela não permitia que as origens microscópicas das propriedades supercondutoras fossem identificadas. Isso foi feito com sucesso pela teoria BCS em 1957, da qual resultam a profundidade de penetração e o efeito Meissner. No entanto, alguns físicos argumentam que a teoria BCS não explica o efeito Meissner.

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  Um cilindro de estanho - em um frasco Dewar cheio de hélio líquido - foi colocado entre os pólos de um eletroímã. O campo magnético é de cerca de 8 militesla (80 G ).

• 

  T = 4,2 K, B = 8 mT (80 G). O estanho está no estado de condução normal. As agulhas da bússola indicam que o fluxo magnético permeia o cilindro.

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  O cilindro foi resfriado de 4,2 K para 1,6 K. A corrente no eletroímã foi mantida constante, mas o estanho tornou-se supercondutor em cerca de 3 K. O fluxo magnético foi expelido do cilindro (o efeito Meissner).

Paradigma para o mecanismo de Higgs

O efeito Meissner supercondutividade serve como um paradigma importante para o mecanismo de geração de uma massa M (ou seja, um recíproco gama , onde h é a constante de Planck e c é a velocidade da luz ) para um campo de calibre . Na verdade, esta analogia é um exemplo abeliano para o mecanismo de Higgs , que gera as massas do eletrofraco${\ displaystyle \ lambda _ {M}: = h / (Mc)}$
C^±
e
Z
medir partículas em física de alta energia . O comprimento é idêntico à profundidade de penetração de Londres na teoria da supercondutividade . ${\ displaystyle \ lambda _ {M}}$

Veja também

• Superfluido
• Supercondutor tipo I
• Supercondutor tipo II
• Fixação de fluxo

Referências

Leitura adicional

• Einstein, A. (1922). "Observação teórica sobre a supercondutividade dos metais". arXiv : física / 0510251 .
• Londres, FW (1960). "Teoria Macroscópica da Supercondutividade". Superfluidos . Estrutura da série da matéria. 1 (2ª edição revisada). Dover . ISBN 978-0-486-60044-4.Pelo homem que explicou o efeito Meissner. pp. 34-37 oferece uma discussão técnica do efeito Meissner para uma esfera supercondutora.
• Saslow, WM (2002). Eletricidade, magnetismo e luz . Acadêmico. ISBN 978-0-12-619455-5. pp. 486-489 dá uma discussão matemática simples das correntes de superfície responsáveis ​​pelo efeito Meissner, no caso de um longo ímã levitado acima de um plano supercondutor.
• Tinkham, M. (2004). Introdução à Supercondutividade . Dover Books on Physics (2ª ed.). Dover. ISBN 978-0-486-43503-9. Uma boa referência técnica.

links externos

• Maglev Trains Audio slideshow do National High Magnetic Field Laboratory discute levitação magnética, o Efeito Meissner, aprisionamento de fluxo magnético e supercondutividade.
• Efeito Meissner (Ciência do zero) Vídeo curto do Imperial College London sobre o efeito Meissner e os trens levitantes do futuro.
• Introdução à supercondutividade Vídeo sobre Supercondutores Tipo 1: R = 0 / Temperaturas de transição / B é uma variável de estado / Efeito de Meissner / Lacuna de energia (Giaever) / modelo BCS.
• Efeito Meissner (Hiperfísica)
• Antecedentes históricos do efeito Meissner