Superconductores - Universidad de Buenos Aires

6210 ‐ Superconductividad GLADSTEIN Diego, Padrón Nro.85349
diego_gladstein@yahoo.com.ar
MENANT Nina, Padrón Nro.
ninamenant@hotmail.com
2ndo. Cuatrimestre de 2009
66.19 – Física del Estado Sólido
Facultad de Ingeniera, Universidad de Buenos Aires
Abstract
El descubrimiento de la superconductividad, ha revolucionado la Física Modera y distintas
ramas de la industria tecnológica. En este trabajo se han abordado las propiedades de estos
materiales, la evolución de las teorías que lo explican, las distintas implementaciones que
tienen hoy en día y su potencial desarrollo.
1. Introducción El fenómeno de superconductividad se
descubrió en 1911 por KammerlinghOnnes y su alumno Gilles Holst.
Encontraron que la resistencia eléctrica del
mercurio solido caía a un valor
inconmensurablemente pequeño cuando se
enfriaba por debajo de cierta temperatura,
llamada
temperatura
crítica
Tc.
Kammerlingh-Onnes recibió un precio
Nobel de física para esta descubierta en
1913.
Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926), premio
Nobel de física en 1913 por sus estudios sobre
superconductividad.
Desde este año numerosos científicos
intentaron descubrir el misterio de este
fenómeno, que desafía los principios de la
física. Durante el siglo XX se ha
encontrado que muchos otros elementos y
muchos
compuestos
se
hacen
superconductores con temperaturas críticas
tan altas como 23°K, pero todos los
materiales se hacen superconductores.
1 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
En 1933, Meissner y Oschnfeld
encontraron que cuando se enfría una
substancia superconductora por debajo de
su temperatura crítica en presencia de un
campo magnético aplicado, expulsa todo el
flujo magnético de su interior lo que
significaba que un superconductor actúa
como un material diamagnético perfecto.
Sin ninguna teoría, los investigadores
debieron experimentar, quasi al azar,
diferentes aleaciones a base de titanio, de
strontio, de germanio, y de niobio.
La pregunta de las origines de la
superconductividad
atormentaba
los
científicos. En 1935, los hermanos London
y en 1950, V. Ginzburg y L. Landau
propusieron teorías incompletas pero
poderosas.
En 1957, apareció la teoría B.C.S. (de los
nombres de sus investigadores: John
Bardeen, Leon Cooper y John Schiffre)
que describía, en partida, el principio
fundamental de la superconductividad.
El año 1986 fue muy importante en la
historia de la superconductividad debido a
la descubierta por ingenieros de IBM
Zúrich (Suiza) de superconductores con
temperaturas críticas muy altas, del orden
de 34°K a 92°K. Estos descubiertos
cuestionan sobre la legitimidad de la teoría
B.C.S.
Hoy, los superconductores se instalan en
muchos sectores como la electrónica, la
medicina y la computación.
2. Las propiedades elementales de los superconductores 2.1. Una Resistencia eléctrica cero en “DC” Un material superconductor se caracteriza
por su resistividad eléctrica cero, aplicarse
corriente continua. La misma está queda
definida por la Ley de Ohm como:
De esta ecuación se puede observar que el
valor de la impedancia R y del Voltaje V
son directamente proporcionales. Para
hallar su valor, es posible realizar un
circuito simple que consta de una fuente de
corriente I en serie con un voltímetro y el
material en cuestión. Si la medición del
voltímetro es nula, significa que la
resistencia es cero y la muestra está en el
estado de superconductividad.
Sin embargo, un material puede ser
superconductor debido a determinadas
condiciones externas en las que se lo
analice. Para entender cómo se logra llegar
a esa “fase superconductiva”, es necesario
analizar las distintas interacciones que se
producen a nivel subatómico.
Al aplicarse una diferencia de potencial
sobre un metal (que tienen cargas
eléctricas libres), se produce un
movimiento de portadores de cargas,
conformando la corriente eléctrica. Al
desplazarse por el material los electrones
moviéndose a través un pesado entramado
iónico van colisionando con impurezas de
la red cristalina o con iones que se
encuentran vibrando fuera de su posición
de equilibrio, disipando energía en forma
de calor absorbido por la malla. Como
justamente la temperatura corresponde a
una
medida
de
las
vibraciones
2 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
mencionadas, resulta natural esperar que al
incrementar la temperatura tengamos un
aumento de la resistencia eléctrica como
consecuencia de una mayor cantidad de
choques, favorecidos por el incremento de
las vibraciones de los iones y por lo tanto
de las imperfecciones de la red cristalina.
La situación es diferente en un
superconductor. En un superconductor
convencional, el fluido electrónico no
puede ser resulto por electrones
individuales. Así que consiste en un par de
límites de electrones conocidos como los
pares de Cooper. Estos pares son causados
por una fuerza atractiva entre electrones
desde el intercambio de fotones. Debido a
la mecánica cuántica, el espectro de
energías del fluido del par de Cooper se
apodera de una energía de gap,
significando una mínima energía ∆E que
debe ser suministrada a fin de excitar el
fluido. Es por eso, que si ∆E es mayor a la
energía térmica del entramado, dado por
kT donde k es la constante de Boltzmann y
T es la temperatura, el fluido no será
aislado por la malla. El par Cooper de
fluidos es entonces un superfluido, que
puede fluir sin disipar energía.
Analizando la dependencia de la
temperatura y la resistencia, podemos
concluir que al disminuir la temperatura, se
reducirá la resistencia eléctrica. Según el
modelo de Sommerfeld, el comportamiento
del metal es similar al de los gases de
electrones. Se esperaba entonces que al
enfriar un material conductor, sus
electrones
tuvieran
comportamientos
similares a los observados para los gases,
por lo que se esperaba que podría existir
una temperatura por debajo de la cual se
iban a condensar, formando un líquido de
electrones y hasta eventualmente un sólido.
De esta manera, los electrones perderían
movilidad y esto debería manifestarse
como un fuerte incremento en la
resistencia eléctrica por debajo de alguna
temperatura crítica. Desde entonces se
fueron utilizando distintos gases que en
estado líquido podrían enfriar a la muestra
a temperaturas cercanas a los 0ºK. El
holandés Kamerlingh Onnes logró
comprobar la reducción de la resistividad a
medida que disminuía la temperatura. En
1911, utilizando helio líquido como
refrigerante, notó que a temperaturas
cercanas a los 4ºK la resistencia eléctrica
de la muestra de mercurio (Hg), se hizo
abruptamente cero.
El fenómeno de la superconductividad, para el
caso del mercurio, descubierto por Kamerlingh
Onnes en 1911. Por debajo de una temperatura
crítica la resistencia del conductor es nula. (De C.
Kittel, lntroduction to Solid State Physics.)
Este fenómeno no ocurre en todos los
metales. Por ejemplo, en determinados
conductores como el cobre y la plata, las
impurezas y otros defectos producen en las
condiciones expuestas anteriormente,
resistividad no nula.
De esta observación, es posible diseñar
espirales de superconductores a las cuales
puedan mantener corriente eléctrica sin
voltaje aplicado. Experimentos han
demostrado que corrientes en espirales
superconductoras pueden persistir por años
sin
ninguna
degradación
medible.
Evidencia experimental, señala un tiempo
de vida de la corriente de por lo menos
100.000 años. Estas supercorrientes de
electrones que no disipan energía, no
3 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
obedecen el “efecto Joule” de pérdida de
energía por disipación de calor; creando
también un potente campo magnético.
Debido a que la cantidad de electrones
superconductores es finita, la cantidad de
corriente que puede soportar el material es
limitada. Por tanto, existe una corriente
crítica a partir de la cual el material deja de
ser superconductor y comienza a disipar
energía.
2.2. Fase de transición superconductiva Un material vuelve superconductor cuando
su temperatura es menor a une temperatura
crítica Tc, que varía según el material.
Una corriente eléctrica atravesando un
cable crea un campo magnético alrededor
de ese. La fuerza del campo magnético
aumenta a medida que el corriente en el
cable aumenta. Como los superconductores
pueden conducir fuertes corrientes sin
pérdida de energía, son muy adaptados
para crear fuertes campos magnéticos. Pero
si el campo magnético H aumenta hasta un
valor dado, el superconductor vuelve a su
estado normal de conductividad. Este valor
se llama el campo magnético Hc. Para cada
superconductor, existe una zona de
temperatura y de campo magnético para el
cual el material es superconductor. El
próximo esquema muestra la relación entre
la temperatura y el campo magnético.
2.3. El efecto Meissner De la misma manera, si demasiado
corriente atraviesa el superconductor, el
material volverá al estado normal aunque
está bajo de su temperatura crítica. El
corriente crítico Ic es función de la
temperatura: más el superconductor es frío,
más podrá conducir grandes corrientes.
En el inciso anterior fue analizada la
respuesta de un superconductor ante la
presencia de un campo eléctrico; es
momento ahora de desarrollar el efecto
producido ante un campo magnético,
propiedades y aplicaciones del mismo y las
limitaciones del análisis.
Utilizando conceptos de la Física Clásica,
es posible pensar que un campo magnético
penetra en un conductor; o bien que la
circulación de corriente por un conductor
produce un campo magnético interno no
nulo. Sin embargo, es posible diseñar un
dispositivo en el cual el campo interno
generado anule al campo exterior,
generando un campo resultante cero. Este
fenómeno, fue explicado por el físico
germano-báltico Lenz que propuso que la
4 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
variación de flujo magnético en el tiempo
produce una diferencia de potencial, cuyo
campo magnético se opone siempre a las
variaciones del campo existente producido
por la corriente original.
Sin
embargo,
en
un
material
superconductor al ser expuesto a un campo
magnético externo, el mismo penetra
únicamente una pequeña distancia λ,
llamada la penetración profunda London,
decayendo exponencialmente a cero dentro
de la masa del material. Esto es llamado el
efecto Meissner y es una característica
definida del superconductor.
A diferencia de un conductor, debido al
efecto Meissner, un superconductor repele
todo campo magnético y no los que están
cambiando. Cuando el material es enfriado
por debajo de la temperatura crítica,
observaríamos la repulsión abrupta del
campo magnético interno, el cual no se
esperaría basándose en la ley de Lenz’s.
En la figura (a) se observa un material en estado
normal al cual se le aplica un campo magnético que
penetra en el material. En la figura (b) se observa al
mismo material, variando las condiciones externa
(Temperatura menor a la crítica y Campo
magnético menor al crítico) pasando al estado
superconductito. En este estado se observa la
presencia del efecto Meissner, en el cual el campo
dentro del superconductor es nulo.
Analíticamente, el campo magnético decae
exponencialmente desde cualquier valor de
la superficie según la siguiente ecuación
explicada por los hermanos Fritz y Heinz
London, quienes mostraron que la energía
libre electromagnética provista en un
superconductor es minimizada por:
donde H es el campo magnético y λ es la
penetración London.
Sin embargo, al igual que fue estudiado
anteriormente con el campo eléctrico, el
efecto desaparece cuando es aplicado un
campo magnético grande. Es debido a esta
falla, que los superconductores son
clasificados en dos grupos. Cabe destacar
que los distintos efectos que se producen,
depende de la geometría del material. Si la
superconductividad
es
abruptamente
destruida cuando el campo aplicado supera
un valor crítico Hc, pertenece al grupo
denominado Tipo I de superconductores;
mientras que si se obtiene una región
intermedia en la cual el efecto Meissner no
se cumple, pero tampoco desaparece
abruptamente, el material pertenece al
grupo
denominado
Tipo
II
de
superconductores. En este grupo, es
posible identificar dos valores críticos: Hc1
y Hc2. Al aumentar el campo magnético se
distingues tres regiones. La primera que es
cuando el campo en menor a H c1 (en
donde el comportamiento es el explicado
anteriormente debido al efecto Meissner),
cuando el campo es mayor que H c2 (en
donde
desaparece
todo
efecto
superconductivo) y por último, cuando el
campo está entre los valores críticos H c1 y
H c2. En esta región, el comportamiento
diamagnético no es uniformes en todo el
material, por lo que éste tendrá algunos
sectores superconductores y otros que no
lo serán. Suele llamarse a ésta fase como
“zona de vórtices” debido a que al penetrar
líneas de campo y atravesar el material por
sectores normales (no superconductores),
se inducirán alrededor de éstos “loops” o
vórtices de corrientes superconductoras.
5 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
2.
Cuando dos líneas de campo atraviesen el
material, las correspondientes zonas no
superconductoras se van a repeler, debido a
fuerzas de Lorentz, hasta que en el caso
ideal se agrupen en un esquema de red,
configurándose en general en arreglos
triangulares, energéticamente más estables.
2.4. El momento London La primera teoría fenomenológica que
explica el efecto Meissner se basa en la
ecuación de London :
donde λL depende de la cantidad ns de
electrones (por unidad de volumen, es
decir, densidad) que se encuentran en
estado superconductor:
La ecuación, desarrollada por los hermanos
Fritz y Heinz London en 1935, explica la
forma que ha de tener un campo magnético
para que se cumplan las condiciones
fundamentales que se dan en el efecto
Meissner, que son:
que las corrientes eléctricas estén
limitadas
a
la
superficie
del
superconductor, en una capa de un
espesor del orden de lo que se conoce
como la longitud de penetración λL,
siendo nulas en el interior.
Los hermanos London desarrollaron su
teoría pensando que los portadores de
carga eran electrones, lo cual se vio que era
erróneo varias décadas después. Sin
embargo, a pesar de este desacierto inicial,
los resultados experimentales no se vieron
muy afectados debido a que la longitud de
penetración es esencialmente la misma en
ambos casos:
Magnitud
Idea inicial
de los
hermanos
London
Idea posterior con
pares de Cooper
Carga q
-e (carga de
un electrón)
-2e
Masa m
me (masa de
un electrón)
2me
Densidad de
partículas en
estado
superconductor
ns
ns/2
Longitud de
penetración λL
1. que el campo magnético sea nulo en el
interior del superconductor,
6 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
El primero en darse cuenta del error fue
Lars Onsager en 1953 investigando la
cuantización del flujo magnético que pasa
por un anillo superconductor: el valor
mínimo del flujo le salía exactamente la
mitad de lo que debía ser, lo cual está
acorde con una carga 2e. Basándose en
esta idea Cooper expondría la idea de que
los portadores de carga no son en realidad
electrones, sino parejas de electrones
(conocidas como pares de Cooper), como
se explicó con todo detalle en la teoría
BCS más tarde.
A continuación, se presenta una tabla con
los valores de las variables enunciadas para
algunos compuestos simples:
Coherence
length
Material
(nm)
London
penetration
depth
(nm)
Ratio
Sn
230
34
0.16
Al
1600
16
0.010
Pb
83
37
0.45
Cd
760
110
0.14
Nb
38
39
1.02
Data attributed to R. Meservey and B. B. Schwartz.
3. La teoría BCS En 1957, Bardeen, Cooper y Schrieffer
propusieron une teoría microscópica
detallada, ahora conocida como la teoría
BCS, en la cual se incluyen las
interacciones
electrón-fotón.
Las
predicciones de la teoría BCS concuerdan
muy bien
con los resultados
experimentales.
Cuando un electrón en un sólido pasa por
iones adyacentes en la red, puede actuar
sobre estos iones mediante un conjunto de
atracciones de Coulomb que dan a cada
uno u impulso que causa que ellos se
muevan ligeramente. Debido a las
propiedades elásticas de la red, esta región
de densidad de carga positiva aumenta y se
propaga como una onda que lleva impulso
a través de la red. El electrón ha emitido un
fonón. El impulsa que lleva el fonón lo ha
suministrado el electrón que cambia su
impulso cuando emite a aquel. Si un
segundo electrón pasa por la región en
movimiento de densidad de carga positiva
creciente, experimentará una interacción de
Coulomb atractiva y así podrá absorber
todo el impulso que lleva la región en
movimiento. Esto es, el segundo electrón
puede absorber al fonón, absorbiendo de
esta manera el impulso suministrado por el
primer electrón. El efecto neto es que los
dos electrones han intercambiado algo de
impulso entre ellos y han interactuado de
este modo. No obstante que la interacción
fue en dos pasos, incluyendo un fonón
como un intermediario, ciertamente fue
une interacción entre los dos electrones.
Además, fue una interacción atractiva ya
que el electrón involucrado en cada uno de
los pasos participó en una interacción de
Coulomb atractiva.
La teoría BCS muestra que, en ciertas
condiciones, la atracción entre dos
electrones debida a una sucesión de
intercambio de fonón puede exceder
ligeramente la repulsión que estos ejercen
directamente entre sí debido a la
interacción de Coulomb (apantallamiento)
de sus cargas iguales. Entonces los
electrones se verían unidos débilmente y
formaran el llamado par de Cooper.
Debido a que los pares de Cooper están
ligados débilmente, con frecuencia se
rompen para formarse nuevamente, por lo
regular con parejas diferentes; por la
misma razón, los pares de Cooper son
grandes. Por lo tanto, dentro de la región
ocupada por los electrones en par existirán
muchos otros electrones, que igualmente
podrían participar en el proceso de
aparamiento. Si ellos pueden hacer esto, el
7 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
sistema estará ligado más fuertemente y
por lo tanto será más estable.
4. Clasificación El aparamiento de electrones en pares de
Cooper es favorable porque pone el
material en un estado de energía menor.
Con este aparamiento, los electrones
atraviesan el superconductor fácilmente,
con menos colisiones y de manera
ordenada.
A continuación serán enunciados algunos
criterios
de
clasificación
de
los
superconductores, que lejos de ser los
únicos patrones de ordenamiento, permiten
fijar
y
sintetizar
los
conceptos
desarrollados en este trabajo.
4.1. Según sus propiedades físicas Este fenómeno es posible solamente a baja
temperatura porque los movimientos
moleculares, y entonces las vibraciones de
la red, están reducidos.
Como fue enunciado en el inciso 2.3, es
posible diferenciar a los superconductores
por el comportamiento ante la presencia de
un campo magnético exterior. En los
superconductores Tipo I, cuando el campo
magnético externo supera el valor crítico,
el estado de diamagnetismo se pierde
abruptamente; no obstante, en los
superconductores Tipo II, se genera un
“estado mixto” en el cual el campo
magnético no es completamente repelido,
generando vórtices magnéticos.
Diagrama de fases H-T de superconductores tipo I y
tipo II. Para los superconductores de tipo II se
observa la aparición de un estado mixto donde el
flujo del campo magnético penetra en el material en
forma cuantificada. Los cuantos de flujo, llamados
vórtices, bajo ciertas condiciones se ordenan
formando estructuras triangulares, así como ocurre
con los átomos en una red cristalina.
Ciertos metales, en particular los que
tienen ajas temperaturas de fusión y son
mecánicamente suaves y de fácil obtención
en un alto grado de pureza y libres de
esfuerzos mecánicos internos y la mayoría
8 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
de los elementos puros, pertenecen a los
superconductores del Tipo I o suaves.
Por
otro
lado,
los
elementos
superconductores compuestos, impuros,
muchas aleaciones y algunos metales
superconductores más refractarios, son
considerados superconductores Tipo II,
duros o de campo intenso.
4.2. Según la teoría que lo explica En el inciso 3, fue desarrollada la teoría
BCS la cual explica el fenómeno de la
superconductividad
con
bastante
aproximación a los resultados obtenidos.
Esta teoría da origen a una nueva forma de
clasificación de los superconductores,
denominándose convencionales a aquellos
que son explicados por esta teoría;
mientras que los que responden a cualquier
otra
teoría,
se
denominan
no
convencionales.
4.3. Según el valor de la temperatura crítica Desde comienzo del siglo XX se empezó a
experimentar
con
materiales
con
temperaturas cercanas al “cero absoluto”
(0ºK), encontrando las propiedades
superconductivas expresadas el segundo
inciso de este trabajo. Sin embargo, el
costo que ocasiona licuar determinados
gases como el Helio, provocó que las
distintas implementaciones y aplicaciones
de los superconductores se demoren hasta
finales del siglo pasado. Sin embargo, en la
década de los ’80, un grupo de científicos
experimentaron
con
cerámicos,
compuestos del Tipo II que alcanzan la
fase superconductiva con temperaturas por
encima de los 77ºK. Este valor coincide
con la temperatura de ebullición del
nitrógeno a presión atmosférica. Este
descubrimiento
es
comercialmente
importante porque el nitrógeno líquido
puede ser producido más barato del aire, y
no es propenso a algunos problemas (por
ejemplo conexiones sólidas del aire) de
helio en cañerías. Por lo tanto, un
semiconductor es considerado como
superconductor de alta temperatura
(HTSC,
High
Temperature
Superconductors) si su temperatura crítica
supera la temperatura de ebullición del
Nitrógeno (77ºK); de otro modo, será
considerado como superconductor de
baja temperatura.
A continuación, a modo de ejemplo, se
presentan tres tablas. La primera y la
segunda, corresponden a superconductores
de baja temperatura con sus respectivos
valores críticos (una corresponde a
materiales del Tipo I y la otra a materiales
del Tipo II); mientras que la tercera
contiene compuestos de alta temperatura.
Superconductores de Tipo I de baja
temperatura
Mat.
Tc
Mat.
Tc
Be
0
Al
1.2
Rh
0
Pa
1.4
W
0.015
Th
1.4
Ir
0.1
Re
1.4
Lu
0.1
Tl
2.39
Hf
0.1
In
3.408
Ru
0.5
Sn
3.722
Os
0.7
Hg
4.153
Mo
0.92
Ta
4.47
Zr
0.546
V
5.38
9 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
Cd
0.56
La
6.00
U
0.2
Pb
7.193
Ti
0.39
Tc
7.77
Zn
0.85
Nb
9.46
Ga
1.083
Superconductores de Tipo II de baja
temperatura
forma de fulerenos o nanotubos, lo cual los
podría incluir en cierto modo entre los
elementos puros, ya que están hechos de
carbono), cerámicos (entre las que
destacan las del grupo YBCO y el diboruro
de magnesio) o aleaciones (como el
niobium-titanium o el germaniumniobium).
5. Aplicaciones Las aplicaciones de los superconductores
fueron variando en el tiempo a raíz de los
nuevos descubrimientos que se sucedieron.
Es posible agrupar a todas las aplicaciones
en tres grandes grupos. La producción de
grandes campos magnéticos, la fabricación
de cables de transmisión de energía y la
fabricación de componentes circuitos
electrónicos.
A continuación, serán desarrollados y
ejemplificados cada uno de estos usos.
5.1. La producción de grandes campos magnéticos. Superconductores de alta temperatura
4.4. Según el material En las clasificaciones anteriores fueron
generadas diferencias en función de alguna
determinada propiedad o principio; sin
embargo, en esta última clasificación,
dividiremos a los superconductores en
función de los materiales que están hechos,
pudiendo ser elementos puros o químicos
(como el mercurio o el plomo),
superconductores orgánicos (si están en
La primera aplicación que surgió con el
descubrimiento
de
los
materiales
superconductores fue la construcción de
electroimanes. De estos se esperaba que
puedan mantener indefinidamente un
campo magnético intenso con el único
cuidado de alojarlo en el interior de un
termo con He líquido, ya que una vez que
se lo alimentó con la corriente necesaria,
esta no decae aunque se desconecte la
fuente, ya que el estado de resistencia nula
no la disipa. Sin embargo, los primeros
superconductores, los de Tipo I, tenían un
Hc bajo perdiendo las propiedades
superconductitas abruptamente. Es por eso,
que los primeros imanes, se construyeron
de niobio, uno de los pocos elementos del
Tipo II.
10 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
Dentro de la investigación en el campo de
la física, también se utilizan electroimanes
superconductores para generar campos
magnéticos altamente estables, útiles en los
estudios de la resonancia magnética
nuclear y la microscopía electrónica de alta
resolución. Son muy utilizados en las
cámaras de burbujas que sirven para la
detección de partículas y que requieren
campos magnéticos muy intensos.
Actualmente, todos los imanes de alto
campo usan aleaciones superconductoras,
tales como el niobio-zirconio y el niobiotitanio, con Hc superiores a 100T.
Los imanes superconductores, son algunos
de los más poderosos. Ellos son usados en
espectómetros de masa, aceleradores de
partículas para separaciones magnéticas,
donde partículas magnéticas débiles son
extraídas de un fondo, como en las
industrias de pigmentos. Por otro lado, una
aplicación muy útil consiste en el diseño de
máquinas eléctricas homopolares basadas
en el principio del disco de Faraday. El alto
campo magnético disponible hace posible
construir motores o generadores de
corriente continua que son menores y más
fácil de fabricar que las máquinas
convencionales de potencia similar. Son
particularmente útiles cuando se necesitan
grandes corrientes de continua, como en la
fundición de aluminio, o bien pares muy
grandes de velocidades bajas, como los
utilizados para mover grandes bombas en
las refinerías de petróleo.
principalmente trenes, utilizando un gran
número de imanes para la sustentación y la
propulsión usando levitación magnética.
Este método tiene el potencial de ser más
rápido, silencioso y suave que los sistemas
de transporte colectivo sobre ruedas. La
tecnología tiene el potencial de superar
6.400 km/h (4.000 mph) si se despliega en
un túnel al vacío. Al no utilizar un túnel al
vacío la energía necesaria para la
levitación no suele ser de una gran
proporción y la mayoría de la energía
necesaria se utiliza para superar la
resistencia del aire, al igual que con
cualquier otro tren de alta velocidad.
La mayor velocidad registrada de un tren
maglev es de 581 km/h (361 mph), logrado
en Japón en 2003, 6 km/h más rápido que
el récord de velocidad del TGV
convencional. Esto es más lento que un
avión, ya que las aeronaves pueden volar a
alturas mucho mayores y la resistencia al
aire es menor, por lo tanto las altas
velocidades son más fáciles de alcanzar.
Transrapid en Shanghái
Por último, el campo magnético producido
por superconductores, es utilizado para la
fabricación de trenes de levitación
magnética.
5.1. 1. Los trenes a sustentación magnética El transporte de levitación magnética o
Maglev, es un sistema de transporte que
suspende, guía y propulsa vehículos,
Como inconveniente, destaca el alto coste
de las líneas, lo que ha limitado su uso
comercial. Este alto costo viene derivado
de varios factores importantes: el primero
y principal es el altísimo costo de la
infraestructura necesaria para la vía y el
sistema eléctrico, y otro no menos
relevante es el alto consumo energético.
Debido a que en la fuerza electromagnética
el principal factor de diseño, y del
11 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
consumo también, es el peso del tren, esta
tecnología no es aplicable hoy al transporte
de mercancías, lo cual limita enormemente
el uso de la infraestructura.
5.2. La fabricación de cables de transmisión de energía Aunque éstos ya se manufacturan a partir
de los superconductores convencionales
(no de los nuevos superconductores
cerámicos),
actualmente
no
son
competitivos comercialmente con respecto
a los cables aéreos normales, a menos de
que cubran una gran distancia (de cientos
de kilómetros), debido a sus bajas
propiedades mecánicas (el cable no es lo
suficientemente fuerte). En los casos en
que las líneas de transmisión deben ser
subterráneas, se solucionaría el problema
mecánico mencionado. La ventaja de la
implementación de superconductores en
líneas de transmisión en resistencia nula
(desarrollada en el inciso 2.1 de este
trabajo), evitando las pérdidas de energía
típicas de los conductores de cobre y
aluminio (entre 5 y 8%)
5.3. La fabricación de componentes circuitos electrónicos Estos dispositivos electrónicos fueron
ideados originalmente con la intención de
utilizar la transición de estado normal a
estado
superconductor
como
un
interruptor, mas resultaron decepcionantes
con respecto a los logros alcanzados por
los transistores de películas delgadas y se
ha abandonado su uso en este aspecto.
Cabe mencionar que son de gran interés los
dispositivos basados en la utilización del
llamado efecto Josephson (que es el efecto
de "tunelamiento" conocido por la
mecánica cuántica, pero de corriente de
superconductividad aún en ausencia de un
voltaje aplicado) para la construcción de
bloques
de
SQUIDs
(dispositivos
superconductores
de
interferencia
cuántica),
los
magnetómetros
más
sensibles hasta ahora conocidos. Los
SQUIDs son usados en los microscopios
de escaneo SQUIDs. Dependiendo del
particular modo de operación, la juntura
Josephson puede ser usada como detector
de fotones o un mezclador. La gran
resistencia cambia en la transmisión desde
el normal –a los estados superconductores
es usado para construir termómetros en
criogénicos micro-calorímetros detectores
de fotones. Resultan superiores a otras
tecnologías y tienen un gran campo de
aplicación que va desde la detección de
señales del infrarrojo lejano que provienen
del espacio exterior, hasta pequeñísimos
campos magnéticos que se producen en el
cerebro humano. También la corriente
Josephson a voltaje cero depende
fuertemente de un campo magnético
aplicado, lo que lleva a la posibilidad de
tener un interesante interruptor para
circuitos lógicos en las computadoras y
filtros de microondas para bases de
celulares.
Por último, en el 2008 fue descubierto por
Valerii Vinokur y Tatyana Baturina que el
mismo
mecanismo
que
produce
superconductividad puede producir estados
superaislantes en determinados materiales,
con casi infinita resistencia eléctrica.
6. Conclusión
A lo largo de este trabajo se ha intentado
demostrar y justificar las ventajas teóricas
que tienen los materiales en estado
superconductivo frente a otros con
similares características. Cabe destacar que
la utilización de la expresión “ventajas
teóricas” y no simplemente “ventajas” no
fue casual. A los efectos prácticos, este
tipo de materiales presentan determinado
tipo de problemas en la implementación. El
primero de ellos fue la necesidad de
utilizar un refrigerante demasiado costoso
como el Helio para disminuir la
12 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
temperatura del material por debajo de la
temperatura mínima; luego fueron las
limitaciones de campo magnético para que
este no superase el crítico. Hoy en día,
como en el ejemplo de líneas de
transmisión,
presenta
dificultades
mecánicas y los costos en general de
implementación de estos dispositivos es
elevado. No obstante, los nuevos
materiales descubiertos, principalmente
desde finales del siglo pasado a la fecha,
han ido solucionando los inconvenientes
mencionados.
Por otro lado, la implementación en
circuitos electrónicos de alta precisión,
genera un constante avance en el desarrollo
e investigación, descubriendo así, nuevos
usos y propiedades.
Hoy en día, su principal limitación son los
altos costos de implementación y
manutención. En la medida que se supere
este escollo, el potencial de esta nueva
tecnología
podría
revolucionar
completamente el mercado tecnológico.
Bibliografía
Libros
•
Introducción física del estado, sólido Charles Kittel
•
Introducción a la electrónica cuántica, Paul Hlawiczka
•
Física Cuántica, Robert Eisberg y Robert Resnick
Sitios web
•
http://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity
•
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/hframe.html
•
http://www.uclm.es/profesorado/maarranz/Documentos/alumnosmateriales0506/Mater
ialesSuperconductores.pdf
•
http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_mod/superconductor.pdf
•
http://www.df.uba.ar/users/sgil/labo5_uba/inform/info/pract_especial/Superconductor
_uba2k2.pdf
•
http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/ceramicas-y-vidrios/bloque-iv/Bloque_IVSuperconductores.pdf
•
http://aportes.educ.ar/fisica/nucleo-teorico/estado-del-arte/superfluidez-ysuperconductividad/superconductividad.php
•
http://www.cienciahoy.org.ar/hoy01/superconductividad.htm
•
http://www.textoscientificos.com/fisica/superconductividad
•
http://superconductors.free.fr/
13 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD
•
http://www.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html
•
http://www.fys.uio.no/super/levitation/
14 GLADSTEIN – MENANT - SUPERCONDUCTIVIDAD