¿Un diamagnet (superconductores) atraerá metales?

Una de las propiedades de los superconductores más fáciles de demostrar, y también la más deslumbrante, es el efecto Meissner. Los superconductores son fuertemente diamagnéticos. Es decir que repelerán un imán. Imagine un conductor de electricidad “perfecto” que simplemente no tiene resistencia al flujo de una corriente eléctrica. Si un conductor de electricidad se mueve a un campo magnético, la Ley de Inducción de Faraday nos llevaría a esperar una corriente eléctrica inducida en el conductor y su campo magnético asociado que se opondría al campo aplicado. La corriente eléctrica inducida no se disiparía en un conductor ‘perfecto’ y, por lo tanto, el campo magnético asociado también continuaría oponiéndose al campo aplicado. Por el contrario, si el conductor ‘perfecto’ ya estaba en un campo magnético, y luego se eliminó ese campo aplicado, la misma ley física indicaría que una corriente eléctrica y su campo magnético asociado aparecerían en el conductor que intentaría oponerse a la eliminación del campo aplicado. Si tuviéramos que hacer un experimento en el que colocamos un imán encima de un material que por algún proceso se convirtió en un conductor ‘perfecto’, no veríamos ningún efecto físico en el imán. Sin embargo, si intentáramos quitar el imán, solo entonces sentiríamos una fuerza opuesta.

Un superconductor es fundamentalmente diferente de nuestro conductor imaginario “perfecto”. Contrariamente a la creencia popular, la Ley de inducción de Faraday por sí sola no explica la repulsión magnética de un superconductor. A una temperatura por debajo de su temperatura crítica, Tc, un superconductor no permitirá que ningún campo magnético ingrese libremente. Esto se debe a que los dipolos magnéticos microscópicos se inducen en el superconductor que se opone al campo aplicado. Este campo inducido luego repele la fuente del campo aplicado y, en consecuencia, repelerá el imán asociado con ese campo. Esto implica que si un imán se coloca encima del superconductor cuando el superconductor estaba por encima de su temperatura crítica, y luego se enfría por debajo de Tc, el superconductor excluiría el campo magnético del imán. Esto se puede ver con bastante claridad, ya que el imán mismo se repele y, por lo tanto, se eleva por encima del superconductor. Para que este experimento tenga éxito, la fuerza de repulsión debe exceder el peso del imán. Este es de hecho el caso de los poderosos imanes de tierras raras suministrados con nuestros kits. Hay que tener en cuenta que este fenómeno ocurrirá solo si la intensidad del campo magnético aplicado no excede el valor del campo magnético crítico, Hc para ese material superconductor. Este fenómeno de repulsión magnética se llama Efecto Meissner y lleva el nombre de la persona que lo descubrió por primera vez en 1933. Sigue siendo hoy la demostración más singular y dramática de los fenómenos de la superconductividad.

Debido a la naturaleza policristalina de un superconductor cerámico típico, el efecto Meissner parece ser un fenómeno a granel. Esto se puede demostrar apilando dos o más discos superconductores. Con la adición de cada disco, el imán será levitado más alto. Este resultado es particularmente ventajoso si el efecto Meissner se está demostrando a una audiencia con la ayuda de un retroproyector.

Otra observación interesante es que el imán levitado no se desliza fuera del superconductor. Este equilibrio aparentemente estable es en realidad una manifestación de Flux Pinning, un fenómeno asociado únicamente con los superconductores de Tipo II, de los cuales son ejemplos nuestros superconductores de cerámica de alta temperatura. Aquí, las líneas de flujo magnético asociadas con un imán pueden penetrar la mayor parte del superconductor en forma de tubos de flujo magnético. Estos tubos de flujo se fijan luego a imperfecciones o impurezas en la matriz cristalina del superconductor, fijando así el imán.

En otras palabras, lo que está sucediendo es que inicialmente está obligando al campo magnético a existir en estas regiones no superconductoras, “apretándolo” a través de las grietas entre los cristales superconductores. Estas regiones del material están rodeadas de material superconductor. Piense en una jarra de un galón, llena de agua, que tiene un pequeño orificio en el fondo. La jarra es el superconductor, el agua es el campo magnético. Este material superconductor no permitirá que pase un campo magnético a través de él, de la misma manera que la jarra no permitirá que pase el agua. Sin embargo, las pequeñas regiones no superconductoras permitirán que pase el campo magnético, de la misma manera que el orificio en la jarra permite que pase el agua. Cuando levantas el imán, la fuerza de gravedad que actúa sobre la pastilla (F = ma material de física del primer semestre), no es lo suficientemente grande como para forzar el campo magnético atrapado a pasar a través del material superconductor, por lo tanto, como un peso en una cuerda , puedes levantar el pellet. La cadena en este caso es el campo magnético, y el peso es el superconductor.