Condición de Meissner. El efecto Meissner y su aplicación práctica.

El comienzo del siglo XX en física bien puede considerarse la era de las temperaturas extremadamente bajas. En 1908, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes obtuvo por primera vez helio líquido, que tiene una temperatura de sólo 4,2° por encima del cero absoluto. ¡Y pronto logró alcanzar una temperatura de menos de un kelvin! Por estos logros, Kamerlingh Onnes recibió el Premio Nobel en 1913. Pero no perseguía récords en absoluto; estaba interesado en cómo las sustancias cambian sus propiedades a temperaturas tan bajas; en particular, estudió el cambio en la resistencia eléctrica de los metales. Y luego, el 8 de abril de 1911, sucedió algo increíble: a una temperatura justo por debajo del punto de ebullición del helio líquido, la resistencia eléctrica del mercurio desapareció repentinamente. No, no sólo se volvió muy pequeño, ¡sino que resultó ser igual a cero (hasta donde era posible medir)! Ninguna de las teorías existentes en ese momento predijo o explicó algo como esto. Al año siguiente, se descubrió una propiedad similar en el estaño y el plomo, este último conduciendo corriente sin resistencia y a temperaturas incluso ligeramente superiores al punto de ebullición del helio líquido. Y en las décadas de 1950 y 1960 se descubrieron materiales NbTi y Nb 3 Sn, caracterizados por su capacidad para mantener un estado superconductor en campos magnéticos potentes y cuando fluyen altas corrientes. Desafortunadamente, todavía requieren refrigeración con helio líquido, que es muy caro.

1. Habiendo instalado un “automóvil volador” lleno de un superconductor, con cubiertas de esponja de melamina impregnada con nitrógeno líquido y una carcasa de lámina sobre un riel magnético a través de un espaciador hecho de un par de reglas de madera, le echamos nitrógeno líquido. “congelar” el campo magnético en el superconductor.

2. Después de esperar a que el superconductor se enfríe a una temperatura inferior a -180 °C, retire con cuidado las reglas que se encuentran debajo. El “coche” flota de forma estable, incluso si no lo colocamos del todo en el centro del riel.

El siguiente gran descubrimiento en el campo de la superconductividad se produjo en 1986: Johannes Georg Bednorz y Karl Alexander Müller descubrieron que el óxido conjunto de cobre, bario y lantano tiene superconductividad a una temperatura muy alta (en comparación con el punto de ebullición del helio líquido): 35 K. Ya el año siguiente, reemplazando el lantano por itrio, se logró alcanzar la superconductividad a una temperatura de 93 K. Por supuesto, según los estándares cotidianos, estas son todavía temperaturas bastante bajas, -180 ° C, pero lo principal es que están por encima del umbral de 77 K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido barato. Además de la temperatura crítica, enorme según los estándares de los superconductores convencionales, para la sustancia YBa2Cu3O7-x (0 ≤ x ≤ 0,65) y varios otros cupratos, es inusualmente alcanzable valores altos crítico campo magnético y densidad de corriente. Esta notable combinación de parámetros no sólo hizo posible un uso mucho más amplio de los superconductores en la tecnología, sino que también hizo posible muchos experimentos interesantes y espectaculares que se pueden realizar incluso en casa.

No pudimos detectar ninguna caída de voltaje al pasar una corriente de más de 5 A a través del superconductor, lo que indica una resistencia eléctrica cero. Bueno, por al menos, sobre una resistencia inferior a 20 µOhm, el mínimo que puede registrar nuestro dispositivo.

cual elegir

Primero necesitas conseguir un superconductor adecuado. Los descubridores de la superconductividad a alta temperatura hornearon una mezcla de óxidos en un horno especial, pero por experimentos simples Recomendamos comprar superconductores ya preparados. Están disponibles en forma de cerámicas policristalinas, cerámicas texturizadas y cintas superconductoras de primera y segunda generación. Las cerámicas policristalinas son económicas, pero sus parámetros están lejos de batir récords: incluso los campos y corrientes magnéticos pequeños pueden destruir la superconductividad. Las cintas de primera generación tampoco sorprenden con sus parámetros. La cerámica texturizada es un asunto completamente diferente; tiene mejores caracteristicas. Pero para fines de entretenimiento es inconveniente, frágil, se degrada con el tiempo y, lo más importante, es bastante difícil encontrarlo en el mercado abierto. Pero las cintas de segunda generación resultaron ser la opción ideal para realizar el máximo número de experimentos visuales. Sólo cuatro empresas en el mundo pueden producir este producto de alta tecnología, incluida la rusa SuperOx. Y, lo que es muy importante, están dispuestos a vender sus cintas fabricadas a base de GdBa2Cu3O7-x en cantidades de un metro, suficiente para realizar experimentos científicos visuales.

La cinta superconductora de segunda generación tiene una estructura compleja de muchas capas para diversos fines. El espesor de algunas capas se mide en nanómetros, por lo que se trata de nanotecnología real.

igual a cero

Nuestro primer experimento es medir la resistencia de un superconductor. ¿Es realmente cero? No tiene sentido medirlo con un óhmetro normal: mostrará cero incluso cuando esté conectado a un cable de cobre. Resistencias tan pequeñas se miden de otra manera: se pasa una gran corriente a través del conductor y se mide la caída de voltaje a través de él. Como fuente de corriente, tomamos una batería alcalina normal que, en cortocircuito, produce aproximadamente 5 A. A temperatura ambiente, tanto un metro de cinta superconductora como un metro de cable de cobre muestran una resistencia de varias centésimas de ohmio. Enfriamos los conductores con nitrógeno líquido e inmediatamente observamos un efecto interesante: incluso antes de iniciar la corriente, el voltímetro ya marcaba aproximadamente 1 mV. Aparentemente, esto es termo-EMF, ya que en nuestro circuito hay muchos metales diferentes (cobre, soldadura, "cocodrilos" de acero) y diferencias de temperatura de cientos de grados (restaremos este voltaje en mediciones posteriores).

Un disco magnético delgado es perfecto para crear una plataforma levitante sobre un superconductor. En el caso de un superconductor de copo de nieve, se “presiona” fácilmente en posición horizontal, pero en el caso de un superconductor cuadrado, es necesario “congelarlo”.

Ahora pasamos corriente a través del cobre enfriado: el mismo cable muestra una resistencia de sólo milésimas de ohmio. ¿Qué pasa con la cinta superconductora? Conectamos la batería, la aguja del amperímetro corre instantáneamente hacia el borde opuesto de la escala, pero el voltímetro no cambia sus lecturas ni siquiera en una décima de milivoltio. La resistencia de la cinta al nitrógeno líquido es exactamente cero.

La tapa de una botella de agua de cinco litros funcionó perfectamente como cubeta para el conjunto superconductor en forma de copo de nieve. Debes utilizar un trozo de esponja de melamina como soporte aislante del calor debajo de la tapa. Se debe agregar nitrógeno no más de una vez cada diez minutos.

Aeronaves

Pasemos ahora a la interacción de un superconductor y un campo magnético. Los campos pequeños generalmente son expulsados ​​del superconductor y los más fuertes penetran en él no como un flujo continuo, sino en forma de "chorros" separados. Además, si acercamos un imán a un superconductor, se inducen corrientes en este último y su campo tiende a devolver el imán. Todo esto hace posible la superconductividad o, como también se la llama, la levitación cuántica: un imán o un superconductor puede flotar en el aire, sostenido de forma estable por un campo magnético. Para verificar esto, todo lo que necesitas es un pequeño imán de tierras raras y un trozo de cinta superconductora. Si tienes al menos un metro de cinta e imanes de neodimio más grandes (usamos un disco de 40 x 5 mm y un cilindro de 25 x 25 mm), entonces puedes hacer que esta levitación sea muy espectacular levantando peso adicional en el aire.

En primer lugar, debe cortar la cinta en pedazos y sujetarlos en una bolsa de suficiente área y grosor. También puede sujetarlos con superpegamento, pero esto no es muy confiable, por lo que es mejor soldarlos con un soldador común de baja potencia con soldadura común de estaño y plomo. Según los resultados de nuestros experimentos, podemos recomendar dos opciones de paquete. El primero es un cuadrado con un lado tres veces el ancho de la cinta (36 x 36 mm) de ocho capas, donde en cada capa posterior las cintas se colocan perpendiculares a las cintas de la capa anterior. El segundo es un "copo de nieve" de ocho rayos formado por 24 trozos de cinta de 40 mm de largo, colocados uno encima del otro de modo que cada trozo siguiente gira 45 grados con respecto al anterior y lo cruza en el medio. La primera opción es un poco más fácil de fabricar, mucho más compacta y resistente, pero la segunda proporciona una mejor estabilización del imán y un consumo económico de nitrógeno debido a su absorción en los amplios espacios entre las láminas.

El superconductor puede colgar no sólo por encima del imán, sino también por debajo de él y, de hecho, en cualquier posición con respecto al imán. Del mismo modo, el imán no tiene por qué colgar en absoluto por encima del superconductor.

Por cierto, vale la pena mencionar la estabilización por separado. Si congelas un superconductor y luego simplemente le acercas un imán, el imán no se colgará, sino que se desprenderá del superconductor. Para estabilizar el imán, necesitamos forzar el campo hacia el superconductor. Esto se puede hacer de dos maneras: “congelando” y “prensando”. En el primer caso, colocamos un imán sobre un superconductor caliente sobre un soporte especial, luego vertemos nitrógeno líquido y retiramos el soporte. Este método funciona muy bien con cuadrados y también funcionará con cerámicas monocristalinas si puedes encontrarlas. El método también funciona con el “copo de nieve”, aunque un poco peor. El segundo método consiste en acercar un imán a un superconductor ya enfriado hasta que capture el campo. Este método casi no funciona con cerámicas monocristalinas: requiere demasiado esfuerzo. Pero con nuestro "copo de nieve" funciona muy bien, permitiéndote colgar el imán de manera estable en diferentes posiciones (con el "cuadrado" también, pero la posición del imán no puede hacerse arbitraria).

Para ver la levitación cuántica, basta incluso con un pequeño trozo de cinta superconductora. Es cierto que solo se puede sostener un pequeño imán en el aire a baja altura.

flotante libre

Y ahora el imán ya cuelga a un centímetro y medio por encima del superconductor, recordando la tercera ley de Clarke: "Cualquier tecnología suficientemente desarrollada es indistinguible de la magia". ¿Por qué no hacer que la imagen sea aún más mágica colocando una vela sobre un imán? ¡Una gran opción para una cena romántica de mecánica cuántica! Es cierto que debemos tener en cuenta un par de puntos. En primer lugar, las bujías con casquillo metálico tienden a deslizarse hacia el borde del disco magnético. Para solucionar este problema, puede utilizar un candelabro con forma de tornillo largo. El segundo problema es la ebullición del nitrógeno. Si intentas añadirlo así, el vapor que sale del termo apagará la vela, por lo que es mejor utilizar un embudo ancho.

Una pila de ocho capas de cintas superconductoras puede sostener fácilmente un imán muy masivo a una altura de 1 cm o más. Aumentar el grosor del paquete aumentará la masa retenida y la altitud de vuelo. Pero en cualquier caso el imán no se elevará por encima de unos pocos centímetros.

Por cierto, ¿dónde exactamente deberías añadir nitrógeno? ¿En qué recipiente se debe colocar el superconductor? Las opciones más simples resultaron ser dos: una cubeta hecha de papel de aluminio doblado en varias capas y, en el caso del "copo de nieve", una tapa de una botella de agua de cinco litros. En ambos casos, el recipiente se coloca sobre un trozo de esponja de melamina. Esta esponja se vende en los supermercados y está destinada a la limpieza, es un buen aislante térmico que soporta bien las temperaturas criogénicas.

En general, el nitrógeno líquido es bastante seguro, pero aun así hay que tener cuidado al utilizarlo. También es muy importante no cerrar herméticamente los recipientes con él, de lo contrario, cuando se evapora, ¡la presión en ellos aumenta y pueden explotar! El nitrógeno líquido se puede almacenar y transportar en termos de acero ordinarios. Según nuestra experiencia, en un termo de dos litros dura al menos dos días, y en un termo de tres litros incluso más. Un día de experimentos caseros, según su intensidad, requiere de uno a tres litros de nitrógeno líquido. Es económico: entre 30 y 50 rublos por litro.

Finalmente, decidimos montar un riel con imanes y por él pasar un “coche volador” lleno de un superconductor, con cubiertas hechas de una esponja de melanina impregnada de nitrógeno líquido y una cubierta de aluminio. No hubo problemas con el riel recto: tomando imanes de 20 x 10 x 5 mm y colocándolos sobre una lámina de hierro como ladrillos en una pared (una pared horizontal, ya que necesitamos la dirección horizontal del campo magnético), es Fácil de montar un riel de cualquier longitud. Solo necesitas lubricar los extremos de los imanes con pegamento para que no se separen, sino que queden bien comprimidos, sin espacios. El superconductor se desliza a lo largo de dicho carril sin ningún tipo de fricción. Es aún más interesante montar el riel en forma de anillo. Por desgracia, aquí no se puede prescindir de espacios entre los imanes, y en cada espacio el superconductor se ralentiza un poco... Sin embargo, un buen empujón es suficiente para un par de vueltas. Si lo desea, puede intentar pulir los imanes y hacer una guía especial para su instalación; entonces también es posible un riel anular sin juntas.

Los editores expresan su agradecimiento a la empresa SuperOx y personalmente a su director Andrei Petrovich Vavilov por los superconductores proporcionados, así como a la tienda en línea neodim.org por los imanes proporcionados.

Explicación física

Cuando se enfría un superconductor ubicado en un campo magnético constante externo, en el momento de la transición al estado superconductor, el campo magnético se desplaza completamente de su volumen. Esto distingue a un superconductor de un conductor ideal, en el que, cuando la resistencia cae a cero, la inducción del campo magnético en el volumen debe permanecer sin cambios.

La ausencia de un campo magnético en el volumen de un conductor nos permite concluir de las leyes generales del campo magnético que en él solo existe una corriente superficial. Es físicamente real y, por tanto, ocupa una fina capa cerca de la superficie. El campo magnético de la corriente destruye el campo magnético externo dentro del superconductor. En este sentido, un superconductor se comporta formalmente como un diamagnético ideal. Sin embargo, no es diamagnético, ya que la magnetización en su interior es nula.

El efecto Meissner no puede explicarse únicamente por la conductividad infinita. Por primera vez, los hermanos Fritz y Heinz London explicaron su naturaleza utilizando la ecuación de Londres. Demostraron que en un superconductor el campo penetra hasta una profundidad fija desde la superficie: la profundidad de penetración del campo magnético de Londres. Para metales micras.

Superconductores tipo I y II

Las sustancias puras en las que se observa el fenómeno de la superconductividad son pocas. Muy a menudo, la superconductividad se produce en aleaciones. En las sustancias puras se produce el efecto Meissner total, pero en las aleaciones el campo magnético no se elimina completamente del volumen (efecto Meissner parcial). Las sustancias que presentan el efecto Meissner completo se denominan superconductores del primer tipo y las parciales, superconductores del segundo tipo.

Los superconductores del segundo tipo tienen en su volumen corrientes circulares que crean un campo magnético que, sin embargo, no llena todo el volumen, sino que se distribuye en él en forma de filamentos individuales. En cuanto a la resistencia, es nula, como en los superconductores de tipo I.

"El ataúd de Mahoma"

"El ataúd de Mohamed" es un experimento que demuestra este efecto en superconductores.

origen del nombre

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es el “Efecto Meissner” en otros diccionarios:

efecto Meissner- Meisnerio reiškinys statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Efecto Meissner vok. Efecto Meißner, m; Efecto Meißner Ochsenfeld, m rus. Efecto Meissner, m pranc. efecto Meissner, m … Fizikos terminų žodynas

Efecto Meissner-Ochsenfeld- El fenómeno de la inducción magnética que se desvanece en las profundidades de un superconductor masivo... Diccionario explicativo terminológico politécnico.

Desplazamiento de un campo magnético de un conductor metálico durante su transición a un estado superconductor; descubierto en 1933 por los físicos alemanes W. Meißner y R. Ochsenfeld. * * * EFECTO MEISSNER EFECTO MEISNER, represión... ... diccionario enciclopédico

Diagrama del efecto Meissner. Se muestran las líneas del campo magnético y su desplazamiento desde un superconductor por debajo de su temperatura crítica. El efecto Meissner es el desplazamiento completo de un campo magnético de un material durante la transición a un estado superconductor.... ... Wikipedia

Desplazamiento completo de imanes. campos de metal conductor cuando este último se vuelve superconductor (con una disminución de la temperatura y la intensidad del campo magnético por debajo del valor crítico Hk). A mí. Se observó por primera vez en silencio. los físicos W. Meissner y R.… … Enciclopedia física

EFECTO MEISSNER, desplazamiento de un campo magnético de una sustancia durante su transición a un estado superconductor (ver Superconductividad). Descubierto por los físicos alemanes W. Meissner y R. Ochsenfeld en 1933... enciclopedia moderna

Desplazamiento de un campo magnético de una sustancia durante su transición a un estado superconductor; descubierto en 1933 por los físicos alemanes W. Meissner y R. Ochsenfeld... Gran diccionario enciclopédico

efecto Meissner- EFECTO MEISSNER, desplazamiento de un campo magnético de una sustancia durante su transición a un estado superconductor (ver Superconductividad). Descubierto por los físicos alemanes W. Meissner y R. Ochsenfeld en 1933. ... Diccionario enciclopédico ilustrado

Desplazamiento completo de un campo magnético de un conductor metálico cuando este último se vuelve superconductor (con una intensidad del campo magnético aplicado por debajo del valor crítico Hk). A mí. observado por primera vez en 1933 por físicos alemanes... ... Gran enciclopedia soviética

Libros

• Mis artículos científicos. Libro 2. El método de las matrices de densidad en las teorías cuánticas de superfluidez y superconductor, Bondarev Boris Vladimirovich. Este libro contiene artículos en los que, utilizando el método de matrices de densidad, nuevos teorías cuánticas superfluidez y superconductividad. En el primer artículo se desarrolla la teoría de la superfluidez, en...

Misteriosos fenómenos cuánticos todavía sorprenden a los investigadores con su comportamiento inimaginable. Anteriormente hablamos de ello, pero hoy consideraremos otro fenómeno de la mecánica cuántica: la superconductividad.

¿Qué es la superconductividad? La superconductividad es un fenómeno cuántico del flujo de corriente eléctrica en un cuerpo sólido sin pérdida, es decir, con una resistencia eléctrica del cuerpo estrictamente cero.

Con la introducción del concepto de "cero absoluto" en la física, los científicos comenzaron a estudiar cada vez más las propiedades de las sustancias a bajas temperaturas, cuando prácticamente no hay movimiento de moléculas. Para alcanzar bajas temperaturas se requiere un proceso llamado “licuefacción de gases”. Al evaporarse, dicho gas toma energía del cuerpo que está sumergido en este gas, ya que se requiere energía para separar las moléculas del líquido. Procesos similares ocurren en los refrigeradores domésticos, donde el gas freón licuado se evapora en el congelador.

EN finales del XIX- A principios del siglo XX ya se producían gases licuados como oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Durante mucho tiempo el helio no se pudo licuar, pero se esperaba que ayudaría a alcanzar una temperatura mínima.

El éxito en la licuefacción de helio lo logró la física holandesa Heike Kamerlingh-Onnes en 1908, que trabajaba en la Universidad de Leiden (Países Bajos). El helio licuado permitió alcanzar una temperatura mínima récord: alrededor de 4 K. Habiendo recibido helio líquido, el científico comenzó Estudiar las propiedades de diferentes materiales a temperaturas de helio.

Historia del descubrimiento

Una de las cuestiones que interesó a Kamerlingh Onnes fue el estudio de la resistencia de los metales a temperaturas ultrabajas. Se sabía que a medida que aumenta la temperatura, también aumenta la resistencia eléctrica. Por lo tanto, podemos esperar que se observe el efecto contrario a medida que la temperatura disminuye.

Al experimentar con mercurio en 1911, el científico lo congeló y continuó bajando la temperatura. Cuando se alcanzaron los 4,2 K, el dispositivo dejó de registrar la resistencia. Onnes reemplazó los dispositivos en las instalaciones de investigación porque temía que funcionaran mal, pero los dispositivos mostraron constantemente una resistencia cero, a pesar de que el cero absoluto todavía estaba a 4 K de distancia.

Tras el descubrimiento de la superconductividad del mercurio, un gran número de preguntas. Entre ellos: “¿la superconductividad es característica de sustancias distintas del mercurio?” o “la resistencia cae a cero, o es tan pequeña que los dispositivos existentes no pueden medirla.

Onnes propuso un estudio original que midió indirectamente hasta qué nivel se reducía la resistencia. La corriente eléctrica excitada en un circuito semiconductor, que se medía desviando una aguja magnética, no se extinguió durante varios años. Según los resultados de este experimento, la resistividad eléctrica del superconductor obtenida mediante cálculos fue de 10-25 ohmios. En comparación con la resistividad eléctrica del cobre (1,5 ۰10−8 Ohm.m), este valor es 7 órdenes de magnitud menor, lo que lo hace prácticamente cero.

efecto Meissner

Además de la superconductividad, los superconductores tienen otra rasgo distintivo, a saber, el efecto Meissner. Este es el fenómeno de la rápida decadencia del campo magnético en un superconductor. Un superconductor es diamagnético, es decir, en un campo magnético se inducen corrientes macroscópicas en el superconductor, que crean su propio campo magnético, que compensa completamente el externo.

El efecto Meissner desaparece en campos magnéticos fuertes. Dependiendo del tipo de superconductor (más sobre esto más adelante), el estado superconductor desaparece por completo (superconductores de tipo I) o el superconductor se segmenta en regiones normales y superconductoras (tipo II). Es este efecto el que puede explicar la levitación de un superconductor sobre un imán fuerte, o de un imán sobre un superconductor.

Explicación teórica del efecto de superconductividad.

Enfoque fenomenológico. Aunque Kamerlingh Onnes es el descubridor de la superconductividad, la primera teoría de la superconductividad fue propuesta por primera vez en 1935 por los físicos y hermanos alemanes Fritz y Heinz London. Los científicos intentaron registrar matemáticamente propiedades de un superconductor como la superconductividad y el efecto Meissner, sin profundizar en las causas microscópicas de la superconductividad, fenomenológicamente. Las ecuaciones derivadas permitieron explicar el efecto Meissner de tal manera que un campo magnético externo sólo podía penetrar en un superconductor hasta una determinada profundidad, dependiendo de la llamada profundidad de penetración de London. Para explicar la superconductividad, era necesario suponer que los portadores de corriente en un superconductor, como en un metal, son electrones. Al mismo tiempo, la resistencia cero significa que el electrón no experimenta colisiones durante su movimiento. Como esto se aplica a todos los electrones de conducción, existe una corriente de electrones sin resistencia.

Obviamente, esta teoría no explica la naturaleza misma este fenómeno, sino que sólo lo describe y nos permite predecir su comportamiento en varios casos. En 1950, los físicos teóricos soviéticos Lev Landau y Vitaly Gnizburg propusieron una teoría más profunda, pero también fenomenológica.

Teoría BCS. La primera explicación cualitativa del fenómeno de la superconductividad se propuso en el marco de la llamada teoría BCS, construida por los físicos estadounidenses John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer. Esta teoría surge del supuesto de que puede surgir atracción entre electrones bajo ciertas condiciones. La atracción, causada por diversas excitaciones, principalmente por vibraciones de la red cristalina, es capaz de crear "pares de Cooper". estados asociados dos electrones en un cristal. Un par así puede moverse en un cristal sin ser dispersado ni por vibraciones de la red cristalina ni por impurezas. En sustancias con una temperatura alejada de cero, hay suficiente energía para "romper" ese par de electrones, mientras que a bajas temperaturas el sistema no tiene suficiente energía. Como resultado, aparece un flujo de electrones unidos (pares de Cooper), que prácticamente no interactúan con la sustancia. En 1972, D. Bardeen, L. Cooper y D. Schrieffer recibieron el Premio Nobel de Física.

Posteriormente, el físico teórico soviético Nikolai Bogolyubov mejoró la teoría BCS. En sus trabajos, el científico describió en detalle las condiciones bajo las cuales se pueden formar pares de Cooper (energía cercana a la energía de Fermi, ciertos espines, etc.) como resultado de efectos cuánticos. Individualmente, los electrones son partículas con espín semientero (fermiones), que son incapaces de formarse y pasar a un estado superfluido. Cuando hay un par de electrones de Cooper, entonces representa una cuasipartícula con espín entero y es. En determinadas condiciones, los bosones son capaces de formar un condensado de Bose-Einstein, es decir, una sustancia cuyas partículas ocupan el mismo estado, lo que conduce a la aparición de superfluidez. Esta superfluidez de electrones explica el efecto de la superconductividad.

Superconductores en un campo eléctrico alterno.

Además de la superconductividad y el efecto Meissner, los superconductores tienen otras propiedades. Vale la pena señalar lo siguiente: la resistencia cero de los superconductores es característica solo cuando corriente continua. Un campo eléctrico alterno hace que la resistencia del superconductor sea distinta de cero y aumenta al aumentar la frecuencia del campo.

Así como el modelo de dos fluidos divide un material superfluido en una región de superfluidez y una región de materia ordinaria, el flujo de electrones también se divide en superconductor y ordinario. Un campo constante aceleraría los electrones superconductores hasta el infinito (dada su resistencia cero), lo cual es imposible, porque se vuelve cero cuando chocan contra el superconductor. Dado que un campo eléctrico constante no actúa sobre los superconductores, los electrones ordinarios no se ven afectados por él (simplemente son expulsados), lo que significa que el movimiento está representado únicamente por los electrones superconductores.

En el caso de variables campo eléctrico Hay un proceso de aceleración de electrones seguido de desaceleración, que es físicamente posible. En este caso, también existe una corriente de electrones ordinarios, que tienen la propiedad de resistencia. Cuanto mayor sea la frecuencia de dicho campo, mayores serán los efectos asociados con los electrones ordinarios.

Momento de Londres

Otra propiedad interesante de un superconductor es el momento de Londres. La esencia del fenómeno es que un superconductor giratorio crea un campo magnético que está alineado exactamente a lo largo del eje de rotación del conductor.

Un estudio más detallado de este fenómeno condujo al descubrimiento del momento magnético de la gravedad de Londres. En 2006, los investigadores Martin Tajmar del Instituto de Investigación ARC Seibersdorf, Austria, y Clovis de Matos del Instituto Europeo agencia Espacial(ESA) descubrió que un superconductor que gira con aceleración también genera un campo gravitacional. Sin embargo, dicho campo gravitacional es aproximadamente 100 millones de veces más débil que el de la Tierra.

Clasificación de superconductores.

Existen varias clasificaciones de superconductores, que se basan en los siguientes criterios:

1. Respuesta a un campo magnético. Esta propiedad divide a los superconductores en dos categorías. Los superconductores de tipo I tienen un cierto valor de campo magnético crítico, superado el cual pierden superconductividad. Tipo II: tiene dos valores límite del campo magnético. Cuando se aplica un campo magnético limitado a estos valores a los superconductores de esta categoría, el campo penetra parcialmente manteniendo la superconductividad.
2. Temperatura crítica. Hay superconductores de baja y alta temperatura. Los primeros tienen la propiedad de ser superconductores a temperaturas inferiores a −196 °C o 77 K. Los superconductores de alta temperatura requieren una temperatura superior a esta. Esta división se produce porque los superconductores de alta temperatura se pueden utilizar en la práctica como refrigeradores.
3. Material. Aquí existen variedades como: pura elemento químico(como mercurio o plomo), aleaciones, cerámicas, orgánicas o de base hierro.
4. Descripción teórica. Como es sabido, cualquier teoría física tiene Area específica aplicaciones. Por esta razón, para futuras aplicaciones tiene sentido dividir los superconductores según teorías que puedan describir su naturaleza.

Superconductividad del grafeno

En los últimos años, la popularidad del grafeno ha aumentado significativamente. Recordemos que el grafeno es una capa de carbono modificado, de un átomo de espesor. En primer lugar, esto se vio facilitado por el descubrimiento de los nanotubos de carbono, un material ultrarresistente específico que se crea plegando una o varias capas de grafeno.

En 2018, un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Universidad Harvard Bajo el liderazgo del profesor Pablo Jarillo-Herrero, descubrieron que cuando se giran en un cierto ángulo (“mágico”), dos láminas de grafeno quedan completamente desprovistas de conductividad eléctrica. Cuando los investigadores aplicaron tensión al material añadiendo una pequena cantidad de electrodos a esta estructura de grafeno, descubrieron que, en cierto nivel, los electrones escapaban de su estado aislante original y fluían sin resistencia. La característica más importante de este fenómeno es que la superconductividad de la estructura de grafeno especificada se obtuvo a temperatura ambiente. Y aunque la explicación de este efecto aún está en duda, su potencial en el sector del suministro de energía es bastante alto.

Aplicaciones de los superconductores

Los superconductores aún no se han utilizado ampliamente, pero se están desarrollando activamente en este ámbito. Así, gracias al efecto Meissner, es posible que los trenes de levitación magnética, llamados trenes maglev, “floten” sobre la carretera.

Ya se están creando turbogeneradores ultrapotentes basados ​​en superconductores que pueden utilizarse en centrales eléctricas.

El criotrón es otra aplicación de la superconductividad que puede resultar útil para la tecnología y los dispositivos electrónicos. Se trata de un dispositivo que puede cambiar el estado de un superconductor de normal a superconductor en muy poco tiempo (de 10⁻⁶ a 10⁻¹¹s). Los criotrones se pueden utilizar en sistemas de información relacionados con la memorización y la codificación. Por primera vez se utilizaron como dispositivos de almacenamiento en las computadoras. Los criotrones también pueden ayudar en el campo de la crioelectrónica, cuyas tareas incluyen aumentar la sensibilidad de los receptores de señales y preservar lo mejor posible la forma de la señal. En este caso, las bajas temperaturas y el efecto de la superconductividad contribuyen a alcanzar los objetivos.

Además, debido a la falta de resistencia de los superconductores, los cables fabricados con dicha sustancia entregarían electricidad sin pérdidas de calor, lo que aumentaría significativamente la eficiencia del suministro de energía. Hoy en día, estos cables requieren refrigeración con nitrógeno líquido, lo que aumenta el coste de su funcionamiento. Sin embargo, se están realizando investigaciones en este ámbito y la primera transmisión de energía basada en superconductores fue puesta en funcionamiento en Nueva York en 2008 por American Superconductor. En 2015 Corea del Sur anunció su intención de crear varios miles de kilómetros de líneas eléctricas superconductoras. Si a esto le sumamos el reciente descubrimiento de la superconductividad del grafeno a temperatura ambiente, entonces deberíamos esperar cambios globales en el campo del suministro de electricidad en un futuro próximo.

Además de estas aplicaciones, la superconductividad se utiliza en la tecnología de medición, desde detectores de fotones hasta la medición de la precesión geodésica utilizando giroscopios superconductores en astronave"Sonda de gravedad B". Esta medición confirmó la predicción de Einstein de tal precesión por las razones descritas en teoría general relatividad. Sin profundizar en el mecanismo de medición, cabe señalar que los datos sobre la precesión geodésica de la Tierra permiten calibrar con precisión satélites artificiales Tierra.

Resumiendo lo escrito anteriormente, se llega a la conclusión sobre las perspectivas del efecto de la superconductividad en muchas áreas y el gran potencial de los superconductores, principalmente en los campos del suministro de energía y la ingeniería eléctrica. Esperamos muchos descubrimientos en esta área en un futuro próximo.

La levitación es la superación de la fuerza de gravedad, en la que un sujeto u objeto se encuentra en el espacio sin apoyo. La palabra levitación proviene del latín Levitas, que significa ligereza.

La levitación se equipara incorrectamente con el vuelo porque este último se basa en la resistencia del aire, razón por la cual las aves, insectos y otros animales vuelan y no levitan.

Levitación en física

La levitación en física se refiere a la posición estable de un cuerpo en un campo gravitacional sin que el cuerpo toque otros objetos. La levitación implica algunas condiciones necesarias y difíciles de lograr:

• Una fuerza que puede compensar la atracción gravitacional y la gravedad.
• Una fuerza que puede asegurar la estabilidad de un cuerpo en el espacio.

De la ley de Gauss se deduce que en un campo magnético estático, los cuerpos u objetos estáticos no son capaces de levitar. Sin embargo, si cambias las condiciones, puedes lograr la levitación.

Levitación cuántica

La levitación cuántica se dio a conocer por primera vez al público en general en marzo de 1991, cuando periódico científico La naturaleza fue publicada. foto interesante. Mostraba al director del Laboratorio de Investigación de Superconductividad de Tokio, Don Tapscott, de pie sobre una placa superconductora de cerámica sin nada entre el suelo y la placa. La fotografía resultó ser real y la placa, que junto con el director pesaba unos 120 kilogramos, podía levitar sobre el suelo gracias al efecto de superconductividad conocido como efecto Meissner-Ochsenfeld.

Levitación diamagnética

Se llama así al tipo de suspensión en un campo magnético de un cuerpo que contiene agua, que a su vez es un material diamagnético, es decir, un material cuyos átomos son capaces de magnetizarse en dirección opuesta a la del principal. campo electromagnetico.

En el proceso de levitación diamagnética, el papel principal lo desempeñan las propiedades diamagnéticas de los conductores, cuyos átomos, bajo la influencia de un campo magnético externo, cambian ligeramente los parámetros del movimiento de los electrones en sus moléculas, lo que conduce a la Aparición de un campo magnético débil en dirección opuesta al principal. El efecto de este débil campo electromagnético es suficiente para vencer la gravedad.

Para demostrar la levitación diamagnética, los científicos realizaron repetidamente experimentos con animales pequeños.

Este tipo de levitación se utilizó en experimentos con objetos vivos. Durante experimentos en un campo magnético externo con una inducción de aproximadamente 17 Tesla, se logró el estado suspendido (levitación) de ranas y ratones.

Según la tercera ley de Newton, las propiedades de los materiales diamagnéticos se pueden utilizar al revés, es decir, para hacer levitar un imán en el campo de un material diamagnético o estabilizarlo en un campo electromagnético.

La levitación diamagnética es de naturaleza idéntica a la levitación cuántica. Es decir, como ocurre con el efecto Meissner, se produce un desplazamiento absoluto del campo magnético respecto del material del conductor. La única pequeña diferencia es que para lograr la levitación diamagnética se necesita un campo electromagnético mucho más fuerte, pero no es necesario enfriar los conductores en absoluto para lograr su superconductividad, como es el caso de la levitación cuántica.

En casa, incluso puedes realizar varios experimentos sobre levitación diamagnética, por ejemplo, si tienes dos placas de bismuto (que es diamagnético), puedes instalar un imán de baja inducción, alrededor de 1 Tesla, en estado suspendido. Además, en un campo electromagnético con una inducción de 11 Tesla, se puede estabilizar un pequeño imán en estado suspendido ajustando su posición con los dedos, sin tocar el imán en absoluto.

Los materiales diamagnéticos más comunes incluyen casi todos los gases nobles, fósforo, nitrógeno, silicio, hidrógeno, plata, oro, cobre y zinc. Incluso el cuerpo humano es diamagnético en el campo magnético electromagnético adecuado.

Levitación magnética

La levitación magnética es método efectivo levantar un objeto mediante un campo magnético. En este caso, se utiliza presión magnética para compensar la gravedad y la caída libre.

Según el teorema de Earnshaw, es imposible mantener un objeto de forma estable en un campo gravitacional. Es decir, la levitación en tales condiciones es imposible, pero si tenemos en cuenta los mecanismos de acción de los materiales diamagnéticos, las corrientes parásitas y los superconductores, entonces se puede lograr una levitación efectiva.

Si la levitación magnética proporciona sustentación con soporte mecánico, este fenómeno se denomina comúnmente pseudolevitación.

efecto Meissner

El efecto Meissner es el proceso de desplazamiento absoluto de un campo magnético de todo el volumen de un conductor. Esto suele ocurrir durante la transición de un conductor a un estado superconductor. Precisamente por eso los superconductores se diferencian de los ideales: a pesar de que ambos no tienen resistencia, la inducción magnética de los conductores ideales permanece sin cambios.

Este fenómeno fue observado y descrito por primera vez en 1933 por dos físicos alemanes: Meissner y Ochsenfeld. Por eso a la levitación cuántica a veces se le llama efecto Meissner-Ochsenfeld.

De leyes generales campo electromagnético Se deduce que en ausencia de un campo magnético en el volumen del conductor, solo hay una corriente superficial en él, que ocupa espacio cerca de la superficie del superconductor. En estas condiciones, un superconductor se comporta de la misma manera que un diamagnético, aunque no lo es.

El efecto Meissner se divide en completo y parcial, según la calidad de los superconductores. El efecto Meissner completo se produce cuando el campo magnético se desplaza por completo.

Superconductores de alta temperatura

Hay pocos superconductores puros en la naturaleza. La mayoría de sus materiales superconductores son aleaciones que a menudo presentan sólo un efecto Meissner parcial.

En los superconductores, es la capacidad de desplazar completamente un campo magnético de su volumen lo que divide los materiales en superconductores del primer y segundo tipo. Los superconductores de tipo 1 son sustancias puras, como mercurio, plomo y estaño, que pueden demostrar todo el efecto Meissner incluso en campos magnéticos intensos. Los superconductores de tipo II suelen ser aleaciones, así como cerámicas o algunos compuestos orgánicos, que, en condiciones de un campo magnético con alta inducción, son capaces de desplazar solo parcialmente el campo magnético de su volumen. Sin embargo, en condiciones de inducción de campo magnético muy baja, casi todos los superconductores, incluido el segundo tipo, son capaces de producir el efecto Meissner completo.

Se sabe que varios cientos de aleaciones, compuestos y varios materiales puros exhiben las características de la superconductividad cuántica.

Experimente el "Ataúd de Mahoma"

"El ataúd de Mohamed" es una especie de truco de levitación. Este es el nombre que se le da a un experimento que demuestra claramente el efecto.

Según una leyenda musulmana, el ataúd del profeta Magomed quedó suspendido en el aire, sin soporte ni apoyo alguno. Por eso la experiencia tiene tal nombre.

Explicación científica de la experiencia.

La superconductividad sólo se puede lograr a temperaturas muy bajas, por lo que el superconductor debe enfriarse previamente, por ejemplo, utilizando gases de alta temperatura como helio líquido o nitrógeno líquido.

Luego se coloca un imán sobre la superficie del superconductor plano y enfriado. Incluso en campos con una inducción magnética mínima que no supera los 0,001 Tesla, el imán se eleva por encima de la superficie del superconductor entre 7 y 8 milímetros. Si la inducción del campo magnético aumenta gradualmente, la distancia entre la superficie del superconductor y el imán aumentará cada vez más.

El imán seguirá levitando hasta que las condiciones externas cambien y el superconductor pierda sus características superconductoras.

En 1933, el físico alemán Walter Fritz Meissner descubrió, junto con su colega Robert Ochsenfeld, el efecto que más tarde lleva su nombre. El efecto Meissner radica en el hecho de que al pasar al estado superconductor se observa un desplazamiento completo del campo magnético respecto del volumen del conductor. Esto se puede observar claramente con la ayuda de un experimento que recibió el nombre de "El ataúd de Mahoma" (según la leyenda, el ataúd del profeta musulmán Mahoma colgaba en el aire sin soporte físico). En este artículo hablaremos sobre el Efecto Meissner y sus aplicaciones prácticas presentes y futuras.

En 1911, Heike Kamerlingh Onnes realizó descubrimiento importante– superconductividad. Demostró que si enfrías algunas sustancias a una temperatura de 20 K, no resisten la corriente eléctrica. Baja temperatura"calma" las vibraciones aleatorias de los átomos y la electricidad no encuentra resistencia.

Después de este descubrimiento, comenzó una verdadera carrera para encontrar sustancias que no resistieran sin enfriamiento, por ejemplo a temperatura ambiente normal. Un superconductor de este tipo podrá transmitir electricidad a distancias gigantescas. El hecho es que las líneas eléctricas ordinarias pierden una cantidad significativa de corriente eléctrica, precisamente debido a la resistencia. Mientras tanto, los físicos realizan sus experimentos utilizando el enfriamiento de superconductores. Y una de las experiencias más populares es la demostración del Efecto Meissner. Puede encontrar muchos videos en línea que muestran este efecto. Hemos publicado uno que demuestra esto mejor.

Para demostrar el experimento de hacer levitar un imán sobre un superconductor, es necesario tomar cerámica superconductora de alta temperatura y un imán. Las cerámicas se enfrían con nitrógeno hasta el punto de superconductividad. Se le conecta una corriente y se coloca un imán encima. En campos de 0,001 Tesla, el imán se mueve hacia arriba y levita sobre el superconductor.

El efecto se explica por el hecho de que cuando una sustancia entra en superconductividad, el campo magnético es expulsado de su volumen.

¿Cómo se puede aplicar el efecto Meissner en la práctica? Probablemente todos los lectores de este sitio hayan visto muchas películas de ciencia ficción en las que los coches flotan sobre la carretera. Si logramos inventar una sustancia que se convierta en un superconductor a una temperatura, digamos, no inferior a +30ºC, entonces esto ya no será ciencia ficción.

Pero ¿qué pasa con los trenes de alta velocidad, que también sobrevuelan la vía? Sí, ya existen. Pero a diferencia del efecto Meissner, allí se aplican otras leyes de la física: la repulsión de los lados unipolares de los imanes. Desafortunadamente, el alto costo de los imanes no permite que esta tecnología se utilice ampliamente. Con la invención de un superconductor que no necesita refrigeración, los coches voladores se convertirán en una realidad.

Mientras tanto, los magos han adoptado el efecto Meissner. Hemos desenterrado uno de estos programas para usted en Internet. La compañía “Exos” muestra sus trucos. No hay magia, sólo física.