Efecto Meissner: definición y cómo causa la levitación magnética
Descubre el Efecto Meissner: cómo los superconductores expulsan campos magnéticos y generan levitación magnética. Explicación clara, ejemplos y aplicaciones.
El efecto Meissner ocurre cuando un campo magnético es expulsado del interior de un superconductor al enfriarlo por debajo de su temperatura crítica. Si colocamos un superconductor en el campo de un imán fuerte y observamos su interior, veremos que el campo magnético allí es mucho menor que en el exterior y que, conforme nos adentramos, tiende rápidamente a cero. Este comportamiento es una diferencia clave entre los superconductores y los conductores perfectos: éstos últimos no expulsan el campo magnético, mientras que un superconductor equivale a un diamagnetismo completo en el estado superconductivo.
El efecto fue descubierto por Walter Meissner y Robert Ochsenfeld en 1933, y mostró que al formarse el estado superconductivo el campo magnético cerca de la superficie del material se altera: como el campo no puede penetrar libremente, la intensidad justo fuera del superconductor aumenta respecto al caso sin superconductividad.
¿Qué causa el efecto Meissner?
La expulsión del campo viene de corrientes eléctricas que se establecen en la superficie del superconductor. Estas corrientes generan su propio campo magnético que se opone y cancela el campo aplicado dentro del cuerpo. Microscópicamente, la formación de pares de electrones (pares de Cooper) y el paso a un estado macroscópicamente coherente permiten que estas corrientes persistan sin disipación. Desde un punto de vista teórico, las ecuaciones de London describen este comportamiento y predicen que el campo magnético decae exponencialmente desde la superficie hacia el interior del material.
Profundizando: profundidad de penetración y tipos de superconductores
El campo no desaparece abruptamente en la superficie, sino que se atenúa con una longitud característica llamada profundidad de penetración (λ), típicamente del orden de decenas a cientos de nanómetros en superconductores convencionales. Además existen dos tipos principales de superconductores:
- Tipo I: muestran un Meissner completo hasta un campo crítico Hc; por encima de Hc el material vuelve al estado normal y el campo penetra totalmente.
- Tipo II: aceptan parcialmente la entrada de flujo magnético en forma de vórtices entre dos campos críticos Hc1 y Hc2. En el llamado estado mixto los vórtices llevan flujo magnético local pero el resto del material permanece superconductivo.
En los superconductores de tipo II puede ocurrir además el fenómeno de anclaje o pinning de los vórtices en defectos del material. El pinning impide que los vórtices se desplacen libremente, lo que permite que un imán quede “bloqueado” en una posición fija respecto al superconductor (esto explica la estabilidad y orientación fija en muchas demostraciones de levitación).
Levitación magnética y aplicaciones
Un ejemplo cotidiano del efecto Meissner es un imán que flota sobre una placa superconductora enfriada con nitrógeno líquido. Para evitar que el campo magnético penetre, el superconductor se comporta como si fuera un imán con momento opuesto, lo que genera una fuerza repulsiva que sostiene el imán. Si existe pinning, además, el imán puede quedar fijado en el aire en una posición y orientación estables.
Aplicaciones prácticas relacionadas con el efecto Meissner y la física superconductora incluyen:
- Trenes de levitación magnética (maglev) que usan propiedades superconductoras para reducir rozamiento.
- Rodamientos y dispositivos de baja fricción y alta precisión.
- Imanes superconductores para resonancia magnética (MRI) y aceleradores de partículas.
- Apantallamiento magnético y sensores extremadamente sensibles (SQUIDs).
Aspectos clave para recordar
- El efecto Meissner aparece al pasar a la fase superconductora por debajo de la temperatura crítica.
- Se debe a corrientes sin resistencia en la superficie que cancelan el campo interior; el campo decae con la profundidad de penetración λ.
- Los superconductores no son simplemente “conductores perfectos”: un conductor ideal conserva el flujo magnético presente al enfriarse, mientras que un superconductor expulsa el campo (a menos que haya pinning que lo retenga).
- En superconductores de tipo II la penetración en forma de vórtices y el anclaje permiten efectos prácticos como la levitación estable.
En resumen, el efecto Meissner es la manifestación macroscópica de la nueva fase superconductora: elimina el campo magnético del interior del material mediante corrientes superficiales persistentes, y de ahí derivan fenómenos útiles como la levitación magnética y el apantallamiento magnético extremo.
El efecto Meissner se demuestra haciendo levitar un imán sobre un superconductor de cuprato (a base de cobre), que se enfría con nitrógeno líquido
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es el efecto Meissner?
R: Es cuando un campo magnético es empujado fuera de un superconductor cuando se convierte en superconductor.
P: ¿Qué le ocurre al campo magnético cuando se coloca un superconductor dentro de un gran imán?
R: El campo magnético es mucho más pequeño de lo que era en el exterior y cuanto más profundo se mire, más cerca estará de cero.
P: ¿En qué se diferencian los superconductores de los conductores perfectos respecto a los campos magnéticos?
R: Los superconductores no dejan que los campos magnéticos pasen a través de ellos, a diferencia de los conductores perfectos.
P: ¿Quién descubrió el efecto Meissner?
R: Walter Meissner y Robert Ochsenfeld descubrieron el efecto en 1933.
P: ¿Cómo consigue el efecto Meissner que un imán levite sobre una placa superconductora enfriada con nitrógeno líquido?
R: El superconductor actúa como un imán que apunta en dirección contraria para impedir que el campo magnético penetre en el superconductor. Esto repele al imán real e impide que se acerque.
P: ¿Por qué se intensifica el campo magnético en el exterior de un superconductor?
R: El campo magnético no puede atravesar el superconductor, por lo que se hace más fuerte justo fuera del superconductor.
P: ¿Cuál es un ejemplo del efecto Meissner?
R: Un ejemplo del efecto Meissner es un imán que levita sobre una placa superconductora enfriada por nitrógeno líquido.
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