Superconductividad Principios, aplicaciones y posibilidades

Superconductividad
Principios, aplicaciones y posibilidades
Autor: Sergio Santa Romero
Cód. 273762
Facultad: Ingeniería
Fecha: 26 de mayo de 2010
El siguiente artículo científico es simplemente una pequeña consolidación del
estudio amplio y general de este fenómeno que se presenta en algunos
materiales, que les permite conducir energía eléctrica sin resistencia. Se presenta
aquí un breve recuento del descubrimiento, el éxtasis que provoco en su estudio
posterior y la gran ventana de posibilidades que se presentan cuando sea posible
usar este principio a temperatura ambiente.
Temperatura, superconductor,
magnetismo, levitación, imanes
Palabras claves
resistividad, corriente,
Se denomina superconductividad a la
capacidad intrínseca que poseen
ciertos
materiales
para
conducir corriente
eléctrica sin resistencia y
pérdida
de energía nulas en determinadas
condiciones.
La resistividad
eléctrica de
un conductor metálico
disminuye
gradualmente
a
medida
que
la temperatura se
reduce.
Sin
embargo,
en
los
conductores
ordinarios, como el cobre y la plata,
las impurezas y otros defectos
producen un valor límite. Incluso
cerca de cero absoluto una muestra
de cobre muestra una resistencia no
nula.
La
resistencia
de
un
superconductor,
en
cambio,
desciende bruscamente a cero
resistencia,
teoría,
cuando el material se enfría por
debajo de su temperatura crítica.
Una corriente eléctrica que fluye en
una espiral de cable superconductor
puede persistir indefinidamente sin
fuente de alimentación. Al igual que
el ferromagnetismo y
las líneas
espectrales
atómicas,
la
superconductividad es un fenómeno
de la mecánica cuántica.
La superconductividad ocurre en una
gran
variedad
de
materiales,
incluyendo elementos simples como
el estaño y
el aluminio,
diversas aleaciones metálicas
y
algunos semiconductores fuertement
e dopados. La superconductividad no
ocurre
en metales
nobles como
el oro y la plata, ni en la mayoría de
los metales ferro -magnéticos.
Como se nombra anteriormente para
estos tipos de materiales entre los
que
encontramos
metales
y
compuestos (principalmente óxidos)
la resistencia que presentan cuando
pasa una corriente eléctrica, se hace
cero debajo de cierta temperatura
critica o también llamada temperatura
de transición esta es la característica
principal de la superconductividad.
Para hablar de la superconductividad
en teoría, es necesario contar un
poco de la historia de este
descubrimiento.
Este
fenómeno
descrito
fue
descubierto en 1911 por el físico
holandés Heike Kamerlingh-onnes
cuando trabajaba con mercurio, el
cual es un superconductor debajo de
4.2 K. Mediciones recientes han
mostrado que las resistividades de
superconductores debajo de la
temperatura critica 𝑇𝑐 son menores
que
4𝑥10−25 Ω 𝑚
la
cual es
aproximadamente entre 1017 𝑜 1016
Veces más pequeña que la
resistividad del cobre y se considera
igual a cero en la práctica.
En años recientes se han llevado a
cabo diferentes experimentos acerca
de la superconductividad, con el fin
de comprender por qué ocurre. La
primera teoría exitosa de la
superconductividad fue publicada por
Bardeen, Cooper y Schrieffer (teoría
BCS) en 1957. Se basa en la teoría
cuántica y es imposible explicarla con
base en la mecánica clásica.
También dichas investigaciones y
experimentos buscaban encontrar
materiales que superconduzcan a
temperaturas más razonables para
reducir el costo y la incomodidad de
refrigerar a tan bajas temperaturas.
Antes de
1986 la temperatura
máxima a la que un material podía
superconducir era de 23 K, por lo cual
era
necesario
mantener
la
temperatura
mediante
helio
o
nitrógeno liquido, después de esto
empezaron a desarrollarse distintos
compuestos
que
tenían
una
temperatura critica mas alta como de
90 K, 105 K y últimamente se ha
informado un compuesto de que
puede superconducir a 134 K (un
oxido de bismuto, estroncio, calcio y
cobre).
En este punto es cuando no se puede
descartar las posibilidades de usar
este fenómeno en la vida real lo que
ha causado un “Boom” en la
investigación
de
materiales
superconductores.
Es pertinente tocar un poco de la
teoría en este punto después de lo
que hemos contado.
Aunque
la
propiedad
más
sobresaliente
de
los
superconductores es la ausencia
de resistencia, lo cierto es que no
podemos decir que se trate de un
material de conductividad infinita, ya
que este tipo de material por sí sólo
no tiene sentido termodinámico. En
realidad un material superconductor
es perfectamente diamagnético. Esto
hace que no permita que penetre el
campo, lo que se conoce como efecto
Meissner.
Este efecto es simplemente el que se
conoce desde hace ya tiempo en las
historias de ciencia ficción de que
algunos
materiales
magnéticos
puedan
levitar
sobre
los
ya
1
nombrados superconductores , lo que
quiere decir que sea un material
diamagnético quiere decir que repele
1
Para conocer mas acerca del efecto Meissner
consultar la siguiente página:
http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Meissner
perfectamente el campo magnético
externo.
Fig. 1 Resistencia versus temperatura,
obsérvese el cambio abrupto que presenta la
grafica, esta pendiente 𝐻𝑔 𝑚𝑒𝑟𝑐𝑢𝑟𝑖𝑜
representa la temperatura critica de la que
hablamos
Fig. 2 Expulsión del campo magnético por
debajo de la temperatura crítica o de
transición.
La
aparición
del superdiamagnetismo es debida a
la capacidad del material de
crear supercorrientes.
Éstas
son
corrientes de electrones que no
disipan energía, de manera que se
pueden mantener eternamente sin
obedecer el Efecto Joule de pérdida
de energía por generación de calor.
Las corrientes crean el intenso campo
magnético necesario para sustentar
el efecto Meissner. Estas mismas
corrientes permiten transmitir energía
sin gasto energético, lo que
representa
el
efecto
más
espectacular de este tipo de
materiales. 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.
A modo de ejemplo también se
conoce que en un alambre cerrado
circular enfriado (convertido en
superconductor) puede correr un flujo
de corriente por muchos años sin
tener una aparente perdida de
corriente.
Como se ha dicho también la
resistividad también depende de la
temperatura. En general hemos visto
gracias a la figura 1 que la resistencia
aumenta conforme aumenta la
temperatura. Esto se puede explicar
ya que a mayor temperatura los
átomos se mueven con mayor
rapidez y disminuye el orden de su
arreglo. Por tanto, se espera que
interfieran más con el flujo de los
electrones, si este cambio de
temperatura no es muy grande la
resistividad de los metales aumenta
casi de manera lineal entonces
tenemos: 𝜌𝑇 = 𝜌0 1 + 𝛼Δ𝑇 en la cual
𝜌0 es la resistividad a determinada
temperatura
de
referencia
por
ejemplo la temperatura ambiente, 𝜌𝑇
es la resistividad a una temperatura
Δ𝑇 arriba(o abajo) de la temperatura
de referencia y 𝛼 es el coeficiente
térmico de la resistividad (estos
coeficientes
generalmente
se
presentan en tablas), si los limites de
temperatura son demasiado altos la
anterior ecuación no es adecuada y
se
requieren
de
términos
proporcionales al cuadrado y al cubo
de la temperatura 𝜌𝑇 = 𝜌0 1 + 𝛼Δ𝑇 +
𝛽((Δ𝑇)2 + 𝛾(Δ𝑇)3 ),
donde
en
general
beta
y
gamma
son
coeficientes muy pequeños pero
cuando Δ𝑇 es grande, sus términos
se vuelven significativos, gracias a
esta ecuación es que se pueden
hacer las respectivas correcciones de
resistividad por temperatura, el
conocer esta ecuación nos da más
para pensar en cómo una muy baja
temperatura produce un efecto de
superconducción
en
ciertos
materiales y como estos coeficientes
térmicos se vuelven tan significativos
, sin embargo para comprender este
fenómeno
como
lo
dijimos
anteriormente requiere estudiarlo
desde la física cuántica.
Conociendo toda esta teoría es que
se abre la gran ventana de
posibilidades que pueden presentar
un gran avance para la humanidad. El
uso de superconductores a mayor
temperatura permitiría que los
motores y generadores fueran de un
tamaño mucho menor, se especula
que podrían ser quizá de la decima
parte de su tamaño actual, esto
también permitiría la transmisión de
energía
a
grandes
distancias
disminuyendo considerablemente los
costos que conciernen a líneas de
transmisión, esto nos quiere decir que
existiría una posibilidad real de poder
llevar energía a lugares a los cuales
por costos excesivos no se puede
brindar electricidad, también se
podría ver la posibilidad de hacer mas
prácticos los carros eléctricos,
contribuyendo a dar un respiro al
medio ambiente del uso de los
combustibles
fósiles,
las
computadoras se volverían mas
rápidas.
Se han hecho estudios para el uso en
el transporte terrestre, los campos
magnéticos
producidos
por
electroimanes superconductores se
usarían para hacer levitar los
vehículos sobre las vías (claro uso
del efecto Meissner), esto haría los
transportes más rápidos y se
eliminaría la fuerza de fricción que
desgasta rápidamente los materiales
Fig. 3 Tren de levitación desarrollado en
Shanghái (china), este tren esta sostenido
por el campo magnético que produce la
corriente de bobinas bajo las vías. Las
bobinas están en recipientes bajo las
molduras.
CONCLUSIONES


La superconductividad como
se ha visto es una gran
posibilidad para dar un salto en
el desarrollo tecnológico de la
humanidad
Aunque esta posibilidad es
muy real aun no se ha podido
desarrollar un superconductor
a temperaturas altas como la


ambiente, por lo tanto la
investigación aun continua,
pues es uso de este fenómeno
no es rentable por los altos
costos a los que se incurriría
El
estudio
de
la
superconductividad es todo un
amplio campo para estudiar
La mecánica clásica se queda
“corta” para explicar este
fenómeno por eso el estudio
de la física cuántica es
necesario para conocer a
profundidad
REFERENCIAS
1. http://es.wikipedia.org/wiki/
Superconductividad ,(En
línea), tomado el 18 de
mayo de 2010
2. http://buscandoasusy.word
press.com/2008/02/20/sup
erconductividad-y-efectomeissner/, (En línea),
tomado el 20 de mayo de
2010
3. GIANCOLI,
Douglas.
Física: principios con
aplicaciones,
1997,
editorial
Prentice-Hall,
México
4. SERWAY,
Raymond.
Física, tomo 2, cuarta
edición 1997, editorial
McGraw Hill, México
5. http://bibliotecadigital.ilce.
edu.mx/sites/ciencia/volu
men2/ciencia3/064/htm/se
c_8.htm,
(En
línea),
tomado el 26 de mayo de
2010