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Superconductividad
Darwin Patricio Le´on Brabo
Jairo Gonzalo Yumbla Romero
Facultad de Ingenier´ıa Escuela de Ingenier´ıa Electr´ıca Universidad de Cuenca Cuenca, Ecuador [email protected] [email protected]
Abstract—Este papper nos brinda un estudio sobre la su- perconductividad, aspectos hist´oricos que convierten a los su- perconductores en uno de los mayores descubrimientos de la ´epoca, la comprensi´on de los Pares de Copper y como estos se forman al alcanzar determinada temperatura cr´ıtica, adem´as de aplicaciones actuales y futuras a esta nueva tecnolog´ıa de la superconductividad. Yo quiero citar este paper [?].
Indice de T´´ erminos-Superconductividad, Pares de Copper, Temperatura Cr´ıtica, Aplicaciones Tecnolog´ıcas.
I. INTRODUCCI ON´
El descubrimiento a principios del siglo XX de un fen´omeno particular en determinados materiales lla- mado superconductividad significo una nueva forma de aprovechamiento de energ´ıa, este fen´omeno manifestaba que al alcanzar una determinada temperatura cr´ıtica ciertos mate- riales experimentaban la ausencia de resistencia al flujo de electrones, desde este particular descubrimiento se estudi´o el mismo efecto sobre distintos materiales comprobando as´ı que no todos los materiales pose´ıan una misma temperatura cr´ıtica al igual que no todos los l´ıquidos poseen una misma temperatura de ebullici´on.
Tras casi un siglo de estudios los investigadores lograron clasificar a los superconductores en dos grandes grupos los de alta y baja temperatura cr´ıtica, el primero formado por oxidos met´´ alicos mientras que el segundo por materiales poco comunes que en general a temperatura ambiente se comportan como aislantes de la corriente el´ectrica. El fen´omeno como fue estudiado desde puntos de vista de la termodin´amica adem´as de la mec´anica cu´antica, usando la segunda para explicarlo medi- ante la formaci´on de pares de electrones capaces de trasportar mayor cantidad de corriente a trav´es de un superconductor, sorprendentemete los conductores a temperatura ambiente no son buenos superconductores.
Las aplicaciones de los superconductores se contin´uan estudiando hasta este momento desde su uso: en una nueva generaci´n de cables superconductores de electricidad que no poseen perdidas de energ´ıa debido al efecto Joule, a aplica- ciones en la electr´onica mejorando los dispositivos de uso di- ario e incluso llegando a los hospitales mejorando diagn´osticos y ayudando a detectar enfermedades con m´as precisi´on y en menor tiempo.
II. SUPERCONDUCTIVIDAD
A. Rese˜na historica.
En 1911 el f´ısico holand´es Heike Kamerlingh Onnes de la universidad de Leiden fue el primero en observar el fen´omeno de la superconductividad en el mercurio, el fen´omeno se present´o despu´es de enfriar el metal hasta la temperatura de 4 grados Kelvin (-452F, -269C) TC, la resistencia del material desapareci bruscamente, debido a este descubrimiento el f´ısico holand´es obtuvo el premio Nobel por sus descubrimientos en esta ´area.[?]
Durante el ao de 1933 los cient´ıficos alemanes Walther Meissner y Robert Ochsenfeld realizaron el siguiente gran descubrimiento en el ´area de la superconductividad y fue que un material superconductor repele un campo magn´etico apli- cado al mismo, la corriente que circula por un superconductor act´ua como un espejo para el campo magn´etico logrando que este sea rechazado, este fen´omeno es asociado con un fuerte diamagnetismo , hoy en d´ıa este efecto es conocido como el efecto Meissner, este particular fen´omeno nos permite hacer levitar un im´an sobre un material superconductor el efecto se aprecia en la Fig. 1.[?]
Fig. 1. Efecto Meisser Aplicado a un Im´an se observa el efecto dia- mag´etico.[?]
En 1972 los cient´ıficos John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer postularon la teor´ıa BCS sobre la super- conductividad, la teor´ıa sostiene que durante el estado de superconductividad los electrones tienen a juntarse formando pares ordenados, es decir, no cumplen el principio de la Ley de Columb de que dos electrones se repelen por poseer cargas
TABLE I. DISTINTOS MATERIALES Y COMPORTAMIENTOS.[?] Conductores Aislantes Superconductores Oro Pl´astico Porcelana Plata Madera Grfito Aluminio Hule Oxidos Met´´ alicos Cobre Porcelana Bronce
iguales, los pares de electrones conocidos como pares de Cooper permanecen en un mismo estado cu´antico, lo cual permite que en el material se presenten grandes corrientes por un tiempo indefinido.[?]
Un gran descubrimiento en el campo de la supercon- ductividad sucedi´o en el ao de 1986, cuando Alex Mller y Georg Bednorz investigadores de los laboratorios IBM Rsch- likon fabricaron una fr´agil cer´amica que pose´ıa una mayor temperatura de superconductividad ubicada en 30K TC, este descubrimiento fue impresionante debido a que las cer´amicas no son consideradas buenos conductores.[?]
En Enero de 1987 un grupo de investigadores de la universidad de Alabama modificaron la mol´ecula de Mller y Bednorz obteniendo as´ı un material de una temperatura de superconductividad 92K TC alcanzando la temperatura del nitr´ogeno liquido.[?]
B. Descripci´on y Conceptos de la Superconductividad.
En la naturaleza existen los materiales conductores aque- llos que al ser expuestos a una deferencia de potencial (V) experimentan el flujo de electrones: desde el punto de mayor potencial al punto de menor potencial pero, a pesar de su admitancia presentan una resistencia al flujo continuo de elec- trones y por lo tanto se produce el conocido efecto Joule, como consecuencia de tal fen´omeno el conductor genera p´erdidas de energ´ıa en forma de calor.[?]
Al manipular el f´actor de temperatura a la cual el con- ductor se encuentra expuesto se presentan fen´omenos muy peculiares en su comportamiento, a temperatura ambiente (25C) un conductor se comporta de manera natural pero, al disminuir la temperatura por debajo de los 0C presentan una mejor conducci´on de electricidad, pues la resistencia al paso de los electrones disminuye haciendo que las p´erdidas de energ´ıa se conviertan en despreciables, aquellos materiales que cumplen con estas caracter´ısticas son conocidos como superconductores.[?]
No todos los buenos conductores a temperatura ambiente son buenos superconductores, en un peculiar ejemplo el oro (Au) que es un excelente conductor a temperatura ambiente no es un buen superconductor, el caso contrario se presenta en aislantes como la porcelana que se convierten en excelentes superconductores, ejemplos para estos y algunos materiales m´as se presentan en la tabla I.[?]
Los materiales poseen una temperatura cr´ıtica (TC) a la cual se presenta el fen ´meno de superconductividad, esto es similar a la transici´on de l´ıquido-gaseoso que experimenta el agua al superar los 100C, aunque desde luego al igual que no todos los l´ıquidos tienen su temperatura de ebullici´on en
los 100C, no todos los materiales poseen la mista TC para iniciar con el proceso de superconductividad, existen dos clases de superconductores los de TC alta y baja respectivamente; durante el fen´omeno de la superconductividad producen una corriente en su superficie, la cual es ´util para repeler campos magn´eticos externos, desde luego si la magnitud del campo magn´etico es llevado hasta un punto HC en donde el campo magn´etico es tan fuerte que puede anular el efecto de la superconductividad.[?]
Los superconductores de baja TC o superconductores del tipo I son en general metales que presentan conductividad a temperatura ambiente, estos materiales requieren de una temperatura incre´ıblemente fr´ıa para poder formar los pares de Cooper y as´ı cumplir con la teor´ıa BSC, este tipo de materiales presenta incremento inmediato una vez alcanzada la TC, estos materiales son excelentes para el diamagnetismo, en una particularidad de materiales tales como: el cobre, el oro y la plata no son considerados buenos superconductores por su constituci´on molecular, estos elementos poseen un solo electr´on libre en su ´ultima orbita y aunque es beneficioso´ para un conductor no lo es para un superconductor, los pares de Cooper no pueden ser formados en estos elementos con facilidad por la raz´on presentada anteriormente.[?]
Otros elementos pueden ser llevados a la superconductivi- dad al ser sometidos a grandes presiones como es el caso del f´osforo que requiere de una presi´on de 2.5 Mbar para alcanzar una TC de 14-22K, los elementos que alcanzan la supercon- ductividad mediante este proceso en general son clasificados dentro del grupo de superconductores tipo I, en la Fig. 2 se observa la transici´on de un metal a la superconductividad, en el momento que alcanzan la temperatura cr´ıtica.[?]
Fig. 2. Gr´afica comparativa de un metal superconductor y un metal no superconductor.[?]
Los superconductores de alta TC o superconductores tipo II est´an formados en la mayor´ıa por compuestos met´alicos y aleaciones, teor´ıas sostienen que los conductores de alta TC presentan esta ventaja debido a la estructura cristalina que los compone, se asocia el incremento de la TC al ox´ıgeno presente en los agujeros entre las estructuras de los cristales.[?]
Los materiales de ingresados en esta caracter´ıstica no presentan una transici´on brusca hacia la superconductividad sino que lo hacen de manera gradual, esto se debe a que en general los campos magn´eticos aun despu´es de que alcance el estado de superconductividad, y como consecuencia de esto
raz´on es necesaria la utilizaci´on de los superconductores como sensores de estos campos magn´eticos, y las m´aquinas encargadas de este prop´osito nos proporcionan la magnetoencelograf´ıa. Esta tecnolog´ıa Fig. 3 nos permite observar que regiones del cerebro est´an trabajando en tiempo real facilitando el diagn´ostico de enfermedades y comprendiendo el funcionamiento del cerebro humano.[?]
Fig. 3. M´aquina utilizada para la lectura de campos magn´eticos porvinientes del cerebro.[?]
Una aplicaci´on de los superconductores est´a destinada al trasporte de grandes masas de personas, el Maglev Fig. 4 es un tren de levitaci´on magn´etica, el tren se eleva apenas unas pulgadas por encima de los rieles permitiendo el avance sin rozamiento, grandes campos magn´eticos son los encargados de elevar el tren los c´uales son producidos por supercon- ductores colocados en los rieles de las rieles, actualmente la construcci´on de estos trenes est´a l´ımitada debido al alto coste de fabricacin de los rieles de tren. Los prototipos ubicados en pa´ıses como Alemania, Jap´on y China son capaces de alcanzar velocidades de hasta 500 Km/h y soportar muchas toneladas de carga sin llegar a tocar los rieles una vez est´a levitando.[?]
Fig. 4. Tr´en de levitaci´on magn´etica primeros prototipos.[?]
III. CONCLUSIONES
La evaluaci´on de un mejor f´uturo para la humanidad en convivencia con su ambiente depende de la obtenci´on de nuevas fuentes de energ´ıa y el manejo adecuado de las actuales, la utilizaci´on y mejoramiento de los superconductores nos permitir´a aprovechar las fuentes actuales de energ´ıa adem´as
de generar soluciones a problemas de ingenier´ıa presentes hoy en d´ıa.
El uso de superconductores en el campo de la medicina nos permitir´a una pronta recuperaci´on adem´as de un temprano diagn´ostico en muchas enfermedades que afligen a la poblaci´on mundial en la ´epoca ´actual.
REFERENCIAS
[1] Supra Desing. Ame en Sience Studio. Website, 2014. http://www. supraconductivite.fr/en/index.php#. [2] Alberto Sandino Hern´andez. In Aspectos F´ısicos e Hist´oricos de la Superconductividad, pages 1–6, 2013. [3] Superconductor. Asociation. Website, 2014. http://www.superconductors. org/.
