Efectul Meissner: ce este și cum provoacă levitația magnetică

Efectul Meissner se manifestă atunci când un câmp magnetic este împins în afara unui supraconductor în momentul în care materialul trece în starea supraconductoare. Dacă ați plasa un supraconductor într-un câmp magnetic puternic și ați privi „în interiorul” lui, ați observa că intensitatea câmpului magnetic este mult mai mică decât în exterior; cu cât te uiți mai adânc în interior, cu atât câmpul se apropie de zero. Aceasta este o proprietate fundamentală care diferențiază supraconductorii de conductorii perfecți: conductorii perfecți ar „îngheța” câmpul magnetic existent în momentul tranziției, pe când supraconductorii îl expulzează activ.

Ce înseamnă, mai concret, expulzarea câmpului?

Expulzarea înseamnă că curenți electrici perfecți se induc la suprafața supraconductorului, iar acești curenți produc un câmp magnetic egal și opus celui aplicat, astfel încât câmpul net din interiorul volumului supraconductor scade aproape la zero. Fenomenul nu este doar o proprietate pasivă de tip „diamagnetism”, ci o stare colectivă quantică a electronilor din material care apare sub o temperatură critică specifică.

Istorie scurtă

Efectul a fost descoperit de Walter Meissner și Robert Ochsenfeld în 1933. Ei au observat că, de vreme ce câmpul magnetic nu poate traversa supraconductorul, intensitatea câmpului în jurul obiectului se reorganizează, adesea concentrându-se în afara materialului.

Levitația magnetică — demonstrație și mecanism

Un exemplu comun al efectului Meissner este levitația unui magnet deasupra unei plăci supraconductoare răcite cu azot lichid. Pentru a împiedica pătrunderea câmpului magnetic, supraconductorul dezvoltă curenți care generează un câmp opus; rezultatul este o forță de respingere care poate susține magnetul deasupra plăcii. În practică veți vedea magnetul plutind stabil la o distanță mică sau „blocându-se” la o poziție fixă — stabilitatea fiind adesea datorată și fenomenului de pinning (fixare) al fluxului magnetic în supraconductori de tip II.

Tipuri de supraconductori și excepții

Există două clase principale de supraconductori:

• Supraconductori de tip I — expulzează complet câmpul magnetic până la o anumită valoare critică a câmpului; peste această valoare supraconductivitatea se pierde brusc.
• Supraconductori de tip II — prezintă o stare mixtă între două valori critice ale câmpului (Hc1 și Hc2): sub Hc1 câmpul este expulzat, între Hc1 și Hc2 pătrund fluxuri magnetice cuantizate sub forma unor vortexuri, iar peste Hc2 materialul încetează să mai fie supraconductor. Vortexurile pot fi prinse (pinning), ceea ce permite levitația stabilă a unui magnet chiar dacă o parte din flux pătrunde în material.

Aspecte fizice relevante

Câteva concepte utile pentru a înțelege efectul Meissner:

• Adâncimea de penetrare (λ) — câmpul magnetic nu dispare instantaneu la suprafață, ci scade exponențial într-o regiune subțire de ordinul unei lungimi numite adâncimea de penetrare London.
• Ecuațiile London — un cadru teoretic simplificat care explică cum curenții superconductori ecranează câmpul magnetic și prezice forma acestei decăderi.
• Câmpuri critice și temperatură critică — supraconductivitatea și efectul Meissner dispar dacă temperatura sau câmpul magnetic depășesc valori critice specifice fiecărui material.

Diferența față de conductorul perfect

Un conductor perfect (cu rezistență zero) ar păstra configurația câmpului magnetic care exista în interiorul său în momentul tranziției la zero rezistență (flux „înghețat”). Supraconductorul, prin contrast, exclude activ câmpul și ajunge la o stare de minimizare energetică în care interiorul este lipsit de câmp — aceasta este esența efectului Meissner.

Aplicații și demonstrații practice

Efectul Meissner și proprietățile conexe ale supraconductorilor stau la baza unor aplicații tehnologice și demonstrații educaționale, dintre care:

• levitație și trenuri maglev (conceptual și pentru proiecte demonstrative),
• rulmenți fără frecare și sisteme de ghidare magnetică (prototipuri și laboratoare),
• magnete supraconductoare pentru rezonanță magnetică (MRI) și acceleratoare de particule,
• magnetometre extrem de sensibile (de exemplu SQUID-uri) care se bazează pe proprietăți supraconductoare.

Observații practice

În laboratoare sau în demonstrații cu YBCO (un supraconductor cu temperatură critică relativ înaltă) se folosește adesea azot lichid pentru răcire: acesta permite obținerea stării supraconductoare fără echipamente criogenice complicate, ceea ce face levitația magnetică ușor de demonstrat la scară mică. Stabilitatea levitației depinde de pinning-ul fluxului; fără pinning, obiectele ar putea să alunece ușor din poziție.

În concluzie, efectul Meissner este o manifestare caracteristică și esențială a supraconductivității: expulzarea câmpului magnetic din interiorul materialului, fenomen care explică atât comportamentul neobișnuit al supraconductorilor, cât și aplicațiile lor practice impresionante, de la levitație până la echipamente științifice de înaltă precizie.

Întrebări și răspunsuri

Î: Ce este efectul Meissner?

Î: Ce se întâmplă cu câmpul magnetic atunci când un supraconductor este plasat în interiorul unui magnet mare?

Î: Prin ce se deosebesc supraconductorii de conductorii perfecți în ceea ce privește câmpurile magnetice?

Î: Cine a descoperit efectul Meissner?

Î: Cum determină efectul Meissner ca un magnet să leviteze deasupra unei plăci supraconductoare răcite cu azot lichid?

Î: De ce devine mai puternic câmpul magnetic din afara unui supraconductor?

Î: Care este un exemplu de efect Meissner?

Căutare după litera