Efeito Meissner e seu uso

O efeito Meissner ou efeito Meissner-Oxenfeld consiste no deslocamento de um campo magnético do corpo do supercondutor durante sua transição para o estado supercondutor. Esse fenômeno foi descoberto em 1933 pelos físicos alemães Walter Meissner e Robert Oxenfeld, que mediram a distribuição do campo magnético fora de amostras supercondutoras de estanho e chumbo.

Walter Meissner

No experimento, os supercondutores, na presença de um campo magnético aplicado, foram resfriados abaixo de sua temperatura de transição supercondutora até que quase todo o campo magnético interno das amostras fosse redefinido. O efeito foi detectado pelos cientistas apenas indiretamente, porque o fluxo magnético do supercondutor é preservado: quando o campo magnético dentro da amostra diminui, o campo magnético externo aumenta.

Assim, o experimento mostrou claramente pela primeira vez que os supercondutores não são apenas condutores ideais, mas também demonstram uma propriedade definidora única do estado supercondutor.A capacidade de deslocar o campo magnético é determinada pela natureza do equilíbrio formado pela neutralização dentro da célula unitária do supercondutor.

Diz-se que um supercondutor com pouco ou nenhum campo magnético está no estado de Meissner. Mas o estado de Meissner se decompõe quando o campo magnético aplicado é muito forte.

Vale a pena notar aqui que os supercondutores podem ser divididos em duas classes, dependendo de como essa violação ocorre.Nos supercondutores do primeiro tipo, a supercondutividade é abruptamente violada quando a intensidade do campo magnético aplicado torna-se maior que o valor crítico Hc .

Dependendo da geometria da amostra, um estado intermediário pode ser obtido, semelhante ao padrão requintado de regiões de material normal carregando um campo magnético misturado com regiões de material supercondutor onde não há campo magnético.

Nos supercondutores do tipo II, o aumento da intensidade do campo magnético aplicado para o primeiro valor crítico Hc1 leva a um estado misto (também conhecido como estado de vórtice), no qual mais e mais fluxo magnético penetra no material, mas não há resistência à corrente elétrica a menos que esta corrente não seja muito alta.

No valor da segunda força crítica Hc2, o estado supercondutor é destruído. O estado misto é causado por vórtices em um fluido superfluido de elétrons, que às vezes são chamados de fluxons (fluxon-quantum de fluxo magnético) porque o fluxo transportado por esses vórtices é quantizado.

Os supercondutores elementares mais puros, com exceção do nióbio e dos nanotubos de carbono, são do primeiro tipo, enquanto quase todas as impurezas e supercondutores complexos são do segundo tipo.

Fenomenologicamente, o efeito Meissner foi explicado pelos irmãos Fritz e Heinz London, que mostraram que a energia livre eletromagnética de um supercondutor é minimizada sob a condição:

Essa condição é chamada de equação de London. Ele previu que o campo magnético em um supercondutor decai exponencialmente de qualquer valor que tenha na superfície.

Se um campo magnético fraco for aplicado, o supercondutor desloca quase todo o fluxo magnético. Isso se deve ao aparecimento de correntes elétricas perto de sua superfície, pois o campo magnético das correntes de superfície neutraliza o campo magnético aplicado dentro do volume do supercondutor. Como o deslocamento ou supressão do campo não muda com o tempo, isso significa que as correntes que criam esse efeito (correntes contínuas) não decaem com o tempo.

Perto da superfície da amostra, dentro da profundidade de London, o campo magnético não está completamente ausente. Cada material supercondutor tem sua própria profundidade de penetração magnética.

Qualquer condutor perfeito impedirá qualquer mudança no fluxo magnético que passa por sua superfície devido à indução eletromagnética normal com resistência zero. Mas o efeito Meissner é diferente desse fenômeno.

Quando um condutor convencional é resfriado a um estado supercondutor na presença de um campo magnético aplicado permanentemente, o fluxo magnético é descartado durante essa transição. Este efeito não pode ser explicado pela condutividade infinita.

A colocação e subsequente levitação de um ímã em um material já supercondutor não exibe o efeito Meissner, enquanto o efeito Meissner é exibido se o ímã inicialmente estacionário for posteriormente repelido pelo supercondutor resfriado a uma temperatura crítica.

No estado de Meissner, os supercondutores exibem diamagnetismo perfeito ou superdiamagnetismo. Isso significa que o campo magnético total é muito próximo de zero dentro deles, a uma grande distância da superfície. Suscetibilidade magnética -1.

O diamagnetismo é definido pela geração de magnetização espontânea de um material que é exatamente oposta à direção de um campo magnético aplicado externamente, mas a origem fundamental do diamagnetismo em supercondutores e materiais normais é muito diferente.

Em materiais comuns, o diamagnetismo ocorre como resultado direto da rotação orbital induzida eletromagneticamente de elétrons em torno de núcleos atômicos quando um campo magnético externo é aplicado. Nos supercondutores, a ilusão de diamagnetismo perfeito surge por causa das constantes correntes de blindagem que fluem contra o campo aplicado (o próprio efeito Meissner), não apenas por causa do spin orbital.

A descoberta do efeito Meissner levou em 1935 à teoria fenomenológica da supercondutividade por Fritz e Heinz London. Esta teoria explica o desaparecimento da resistência e o efeito Meissner. Isso nos permitiu fazer as primeiras previsões teóricas sobre a supercondutividade.

No entanto, esta teoria apenas explica as observações experimentais, mas não permite a identificação da origem macroscópica das propriedades supercondutoras.Isso foi feito com sucesso mais tarde, em 1957, pela teoria de Bardeen-Cooper-Schriefer, da qual seguem a profundidade de penetração e o efeito Meissner. No entanto, alguns físicos argumentam que a teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer não explica o efeito Meissner.

O efeito Meissner é aplicado de acordo com o seguinte princípio. Quando a temperatura de um material supercondutor passa de um valor crítico, o campo magnético ao seu redor muda abruptamente, resultando na geração de um pulso EMF na bobina enrolada em torno desse material. E quando a corrente da bobina de controle muda, o estado magnético do material pode ser controlado. Este fenômeno é usado para medir campos magnéticos ultra fracos usando sensores especiais.

Um criotron é um dispositivo de comutação baseado no efeito Meissner. Estruturalmente, consiste em dois supercondutores. Uma bobina de nióbio é enrolada em torno de uma haste de tântalo através da qual flui uma corrente de controle.

À medida que a corrente de controle aumenta, a força do campo magnético aumenta e o tântalo passa do estado supercondutor para o estado normal. Nesse caso, a condutividade do fio de tântalo e a corrente operacional no circuito de controle mudam de forma não linear maneiras. Com base em criotrons, por exemplo, são criadas válvulas controladas.