Superconductores

Electromagnetismo. Superconductividad. Superfluidez. Temperatura crítica. Cupratos. Dispositivo superconductor de interferencia cuántica. Resonancia magnética

  • Enviado por: Reynaldo Alonso
  • Idioma: castellano
  • País: México México
  • 12 páginas

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INTRODUCION

En 1911, el físico holandés Kammerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica del mercurio adquiría un valor de cero cuando éste se enfriaba a una temperatura cercana al cero absoluto (4.2 grados Kelvin o menos 269 grados Celsius). De este modo se descubrió el fenómeno de la superconductividad.

En 1933, Meissner y Ochsenfeld descubrieron que cuando se le aplica un campo magnético externo a un material superconductor, éste lo rechaza. La combinación de estas propiedades (conductividad infinita y expulsión del campo magnético) caracterizan a los materiales superconductores.

La doctora Elizabeth Chavira Martínez, investigadora del Instituto de Investigación en Materiales de la UNAM, nos narra algunos de los episodios más importantes de la ciencia de materiales que siguieron a estos descubrimientos.

Durante las primeras décadas de este siglo se llegó a pensar que la superconductividad quedaría sujeta sin remedio a muy bajas temperaturas. Empero, a principio de los setenta se obtuvo un material superconductor (una aleación de niobio 3-germanio) a una temperatura crítica de 23 grados Kelvin. La temperatura crítica, es aquella a la que un material se hace superconductor.

En 1986, el físico Karl Alex Müller, del laboratorio de IBM en Zurich, observó que un óxido cerámico, compuesto de bario, lantano y cobre tenía una temperatura crítica de 30 grados Kelvin. Estaba en marcha la carrera por obtener superconductores de altas temperaturas.

En 1987, el grupo del doctor Chu, en Estados Unidos, descubrió un material de itrio-bario-cobre-oxígeno que es superconductor a 93 grados Kelvin (menos 180 grados centígrados). Un gran paso, pues ya se podía prescindir del helio líquido, que es muy caro, para enfriar el material. La temperatura crítica había superado los 77 grados Kelvin (menos 196 grados Celsius), punto de licuefacción del nitrógeno, que es muy abundante.

A principio de los ochenta el químico francés Bernard Raveou sintetizó un compuesto de bismuto-estroncio-cobre-oxígeno. Posteriormente, otros investigadores notaron que al aumentar los planos de cobre-oxígeno de este compuesto aumentaba la temperatura crítica. Pero, como todo, esto tiene un límite.

Recientemente, el doctor Chu elaboró un material que contiene mercurio sometido a altas presiones y reportó que su temperatura crítica es de 165 grados Kelvin (menos 108 grados centígrados). La más alta hasta ahora en un material estable.

Los nuevos compuestos cerámicos de alta temperatura crítica tienen una estructura cristalina del tipo de la perousquita. ``Estos compuestos tienen deficiencia de oxígenos (aniones) y esta deficiencia les da las propiedades superconductoras''.

OBJETIVO

Con este presente trabajo pretendo dar a conocer los ultimos avances tecnológicos dentro de los superconductores, asi como sus aplicaciones en el mundo moderno.

Este trabajo de investigación esta relacionado con los “cerámicos”, tema que estamos cursando actualmente.

SUPERCONDUCTORES

'Superconductores'

Un superconductor tiene dos características esenciales. Por debajo de una temperatura crítica característica (Tc), dependiente de la naturaleza y estructura del material, los superconductores exhiben resistencia cero al flujo de electricidad y pueden expulsar el flujo magnético de su interior, dando lugar al fenómeno de levitación magnética.

El primer superconductor, mercurio, descubierto en 1911 por G. Holst y K. Onnes, sólo lo era a temperaturas inferiores a 4.2 K (-268 °C) y a principios de 1986 el récord de temperatura crítica estaba en 23 K correspondiente al compuesto Nb3Ge. La rata de crecimiento había sido de 0.3 grados por año y los superconductores a temperatura ambiente parecían inalcanzables.

A finales de 1986 la comunidad científica internacional fué sorprendida cuando J. G. Berdnorz y K. A. Müller, del centro de investigaciones de la IBM en Zurich, observaron una Tc -35 K en el compuesto de óxido de Cobre, Bario y Lantano (BaLaCuO) sintetizado con anterioridad (1983) por el grupo de B. Raveau y C. Michel en Francia. La euforia desatada por este descubrimiento condujo a que poco tiempo después, se descubriera que la Tc podía seguir subiendo lo que llevó al descubrimiento de nuevos materiales superconductores, con Tc por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (-77 K).

Se despertaron entonces atrevidas esperanzas que fueron sofocadas relativamente pronto por varias dificultades tanto en el plano teórico, donde los conocimientos acumulados sobre el estado superconductor hasta 1986 fueron incapaces de describir la superconductividad de alta Tc, como en lo referente a las aplicaciones, puesto que el estado superconductor se destruye al ser sometido a un campo magnético, cosa que debe hacerse en muchas de las aplicaciones concebibles.

Diez años después, cuando la euforia inicial ha cedido y las noticias de éxitos sensacionalistas se han vuelto escasas, muchas ideas novedosas relativas a las características de los nuevos cupratos superconductores se han decantado elevando significativamente el nivel del conocimiento, y a pesar de las dificultades anotadas anteriormente estos cupratos se utilizan ya en la microelectrónica, por ejemplo como sensores de campo magnético (SQUID: interferómetro cuántico superconductor), filtros, resonadores etc.

Y ¿PARA QUE SIRVEN?

Si algún día los superconductores de temperatura ambiente llaman a nuestra puerta nos veremos inmersos en una revolución tecnología sin precedentes. Pero aunque no lo hagan, ya existen muchos equipos que utilizan la superconductividad en su funcionamiento.

Un pequeño imán cilíndrico flota por encima de un superconductor. El vapor es nitrógeno líquido en ebullición, que mantiene al superconductor en un estado de resistencia nula. Cuando el imán desciende hacia el superconductor, induce una corriente eléctrica, que a su vez crea un campo magnético opuesto al del imán. Como el superconductor no tiene resistencia eléctrica, la corriente inducida sigue fluyendo y mantiene el imán suspendido indefinidamente.

A continuación un repaso a las aplicaciones mas espectaculares de este fenómeno.

Por su ausencia de resistencia, los superconductores se han utilizado para fabricar electroimanes que generan campos magnéticos intensos sin pérdidas de energía. Los imanes superconductores se han utilizado en estudios de materiales y en la construcción de potentes aceleradores de partículas. Aprovechando los efectos cuánticos de la superconductividad se han desarrollado dispositivos que miden la corriente eléctrica, la tensión y el campo magnético con una sensibilidad sin precedentes.

El descubrimiento de mejores compuestos semiconductores es un paso significativo hacia una gama mayor de aplicaciones, entre ellas computadoras más rápidas y con mayor capacidad de memoria, reactores de fusión nuclear en los que el plasma se mantenga confinado por campos magnéticos, trenes de levitación magnética de alta velocidad y, tal vez lo más importante, una generación y transmisión más eficiente de la energía eléctrica.

El SQUID o dispositivo superconductor de interferencia cuántica, fue una de las primeras aplicaciones comerciales de la superconductividad. Basado en las uniones Josephson, son captadores magnéticos extraordinariamente sensibles que permiten medir campos magnéticos y tensiones eléctricas increíblemente débiles, con una resolución del orden del picovoltio, una billonésima de voltio.

Los SQUID llevan utilizándose ininterrumpidamente desde los años 60 en multitud de aplicaciones: detección súper precisa de las señales eléctricas del cerebro y el corazón, comprobación no destructiva de tuberías y puentes (la fatiga del metal produce una firma magnética peculiar), paleomagnetismo, sensores geológicos para prospecciones petrolíferas, equipos militares de detección de sumergibles y un largo etcétera.

Aparatos de formación de imágenes por resonancia magnética, más conocidos como RMN. Con esta técnica se coloca una sustancia en un campo magnético intenso que modifica el spin de los núcleos de determinados iones. Después, se somete a la muestra a una onda de radio que reorienta los núcleos. Al desaparecer la excitación se libera un pulso de energía que proporciona información sobre la estructura molecular de la sustancia... y que puede transformarse en una imagen mediante técnicas informáticas.

El RMN es una herramienta casi indispensable para la formación de imágenes del cerebro, y con el advenimiento de los superconductores de alta temperatura podrá convertirse en una maquina mucho mas pequeña y barata: los superconductores clásicos enfriados por helio requieren voluminosos y delicados equipos de refrigeración. En cambio, el nitrógeno liquido es sencillísimo de producir y utilizar.

'Superconductores'
Ordenadores mas rápidos. Otra aplicación de las uniones Josephson es la posibilidad de fabricar transistores basados en ellas. Estos circuitos podrían activarse y desactivarse muy rápidamente con un consumo de potencia mínimo. En teoría, un ordenador basado en el efecto Josephson sería 50 veces más rápido que uno convencional, aunque hasta hoy no ha sido construido debido a problemas de fiabilidad, de interfaces y a la dificultad de competir con un adversario tan poderoso como los circuitos de silicio (muchísimo mas económicos y sencillos de utilizar).

En todas aquellas aplicaciones en que sean necesarios campos de una intensidad enorme, los superconductores clásicos no tienen rival. La forma mas evidente de crear un campo magnético es mediante una bobina de cable enrollado, que al ser atravesada por una corriente eléctrica crea un campo directamente proporcional a la intensidad de la misma. Pero el campo máximo que podemos generar no es muy grande, ya que al incrementar la corriente los cables comienzan a calentarse peligrosamente debido a la resistencia eléctrica. Con los superconductores no pasa esto: su resistencia es cero y pueden producir campos magnéticos altísimos. La aplicación típica en este caso son los aceleradores de partículas como el Tevatron del Fermilab en EE.UU. con una capacidad de un teraelectrón voltio (TeV), equivalente a un billón de voltios.

'Superconductores'

Los imanes basados en superconductores de alta temperatura todavía están lejos de estos márgenes... aunque ya se pueden conseguir imanes de cerámicas superconductoras que pueden generar un campo de dos teslas, cinco veces mayor que el que se puede conseguir con un imán permanente.

Estos imanes se utilizan por ejemplo en los trenes de alta velocidad sobre cojín magnético (MAGLEV). Los trenes tipo SED (suspensión electrodinámica) japoneses pueden desplazarse de 320 a 500 Km/h mediante imanes superconductores que inducen corrientes en las bobinas conductoras de las guías. Esta interacción eleva al vehículo unos 15 cm del suelo, como si fuera un avión en vuelo rasante. A menos de 100 Km/h, este vehículo circula sobre ruedas como un tren convencional.

Transporte de energía mediante cables eléctricos, transformadores de corriente y conmutadores de potencia. De este modo se podría reducir el recibo de la luz al compensarse el importante porcentaje de energía eléctrica que se disipa en forma de calor debido a la resistencia eléctrica.

También podrían utilizarse como limitadores de corriente, proporcionándonos un voltaje mas estable.

'Superconductores'
Hace poco, el Departamento de Energía de Estados Unidos ha anunciado el primer proyecto de uso comercial a gran escala de los superconductores de alta temperatura. Se pretenden instalar cables superconductores de unos 130 metros en una subestación eléctrica de Detroit. Se sustituirán los cables de cobre de tal manera que la nueva instalación albergara una capacidad tres veces mayor (24000 voltios). Sin embargo, el principal inconveniente para que esta prueba se generalice es el alto coste, ya que se han presupuestado unos 5,5 millones de dólares.

Almacenamiento de energía mediante superconductores magnéticos de almacenamiento de energía (SMES). Este sistema consiste en "cargar" una bobina superconductora de electricidad y luego cerrarla formando un anillo. La corriente teóricamente circularía sin perdidas, y cuando hubiera que utilizarla bastaría con abrirla y extraer la cantidad necesaria. Este sistema se ha propuesto, por ejemplo, para el almacenamiento de energía en vehículos eléctricos.

Combinación de corrientes y magnetismo para la generación de potencia y trabajo, como motores y generadores eléctricos muchísimo mas eficientes.

Investigación espacial. En el espacio, protegidos de la luz solar, es fácil conseguir temperaturas dentro del rango funcional de los superconductores de alta temperatura. En este aspecto la NASA ha financiado diferentes estudios sobre sensores y elementos de actuación electromecánicos con vistas a su utilización en naves espaciales...

SUPERCONDUCTORES LOS MATERIALES DEL FUTURO

La superconductividad y la superfluidez, dos fenómenos de la física cuántica cuya explicación puede desembocar en la producción de materiales con propiedades completamente nuevas, valieron al ruso-estadounidense Alexei Abrikosov, al ruso Vitalij Ginzburg y al británico Anthony Leggett el Premio Nobel de Física 2003.

En cuanto a su importancia práctica, los superconductores son ya utilizados en las imágenes por resonancia magnética en medicina, y, en física, por los aceleradores de partículas.

Hay metales que dejan de ofrecer resistencia al paso de la corriente eléctrica cuando son enfriados hasta pocos grados sobre el cero absoluto (267 grados centígrados bajo cero). Tales materiales superconductores tienen también la propiedad de excluir el flujo magnético total o parcialmente. Los que excluyen el flujo magnético completamente son los llamados superconductores tipo I, y la teoría que los explicó valió el Premio Nobel de Física 1972 a los norteamericanos John Bardeen, Leon N. Cooper y Robert Schrieffer.

Sin embargo, esta teoría, basada en la formación de pares de electrones, fue insuficiente para explicar la superconductividad en materiales de gran importancia práctica.

Estos, llamados superconductores tipo II, permiten la coexistencia de la superconductividad y el magnetismo y se mantienen superconductores aún en presencia de poderosos campos magnéticos.

'Superconductores'
Fue Alexei Abrikosov quien logró explicar teóricamente este fenómeno. Partió de una teoría ya formulada por Vitaly Ginzburg y otros sobre los superconductores tipo I, que resultó tan amplia que fue también válida para el nuevo tipo de superconductores.

Aunque estas teorías fueron formuladas en los años 50, han sido reactualizadas por el rápido desarrollo de materiales con propiedades completamente nuevas. Actualmente, estos materiales pueden ser hechos superconductores a temperaturas cada vez más altas y bajo más poderosos campos magnéticos.

El helio líquido puede convertirse en superfluido, esto es, su viscosidad desaparece a bajas temperaturas. Atomos del raro isótopo 3He deben formar pares, de forma análoga a los pares de electrones de los superconductores metálicos.

'Superconductores'
Anthony Leggett formuló en los años 70 la teoría decisiva explicando cómo interactúan los átomos de 3He y cómo se ordenan en el estado superfluido. Modelos formulados recientemente demuestran que cómo este orden se transforma en caos y en turbulencia, uno de los problemas de la física clásica aún no resueltos.

SUPERCONDUCTIVIDAD (Complementación).

'Superconductores'

Flujo de corriente eléctrica sin resistencia.

Los superconductores tiene una temperatura llamada temperatura de transición, debajo de la cual presentan el fenómeno de la superconductividad; hay que mencionar que el fenómeno se ha observado también en ciertos materiales cerámicos que normalmente (a temperatura ambiente), son aisladores (no conducen la corriente eléctrica); es decir que el superconductor no tiene necesariamente que ser conductor a temperaturas normales.

'Superconductores'
El primer superconductor fue el mercurio a una temperatura -269 °C ó 4.2 K encontrado por el científico holandés Heike Kamerlingh Onnes en 1911( Onnes,1911). Había estado trabajando en el comportamiento de la materia a baja temperatura (de hecho fue el primero en conseguir helio liquido), cuando observó que el mercurio transmitía la electricidad sin pérdidas.

La superconductividad, como Kamerlingh denominó a este fenómeno, posibilita una serie amplia de aplicaciones; sin embargo las bajas temperaturas a las cuales la superconductividad podía ocurrir, unos cuantos grados kelvin por encima del cero absoluto de temperatura, presentaba enormes dificultades técnicas. Además, el paso de una alta corriente eléctrica a través de un material superconductor genera un campo magnético lo suficientemente intenso que por encima de un cierto valor crítico, que depende del material, destruye la superconductividad. Los campos magnéticos críticos para elementos superconductores tales como plomo o estaño son tan bajos como uno cuantos gauss. El mismo Onnes, galardonado en 1913 con el premio Nobel de Física, se dio rápidamente cuenta de que si la superconductividad pudiese tener alguna aplicación práctica, la temperatura crítica TC, temperatura que marca el inicio del estado superconductor, y el campo magnético crítico tendrían que incrementarse dramáticamente.

Por muchos años la superconductividad permanecío como un oscuro e intrincado efecto. En 1933 Meissner y Ochsenfeld en Berlín, hicieron otro descubrimiento de fundamental importancia: Ellos observaron que cuando un material superconductor es enfriado en presencia de un campo magnético, por debajo de su temperatura crítica, el flujo magnético es expelido de su interior. Este efecto conocido como efecto Meissner indica que un superconductor se comporta como un diamagneto perfecto. Sin embargo, este efecto no puede ser explicado partiendo de considerar la resistividad cero del material conductor y de las ecuaciones de Maxwell que rigen el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos. Esto significa que el diamagnetismo perfecto (efecto meissner) junto con la resistividad cero son las propiedades fundamentales del estado superconductor. Superconductores en los cuales la expulsión de flujo es total se conocen como superconductores tipo I y son normalmente los elementos simples en la tabla periódica.

En la década de los 50´s se hacen enormes progresos en la búsqueda de materiales superconductores con temperaturas críticas mayores y campos críticos más intensos, dando lugar a la aparición de superconductores tipo II caracterizados por una expulsión parcial del flujo magnético conservándose la resistividad cero. Este tipo de materiales normalmente son aleaciones intermetálicas que poseen temperaturas críticas más altas y campos magnéticos críticos más intensos que los correspondientes a superconductores tipo I. Los superconductores más usados en la generación de campos magnéticos de varias Teslas son compuestos de Nb-Ti y Nb-Sn.

Sin embargo no es rentable producir en serie estos materiales pues requieren de temperaturas extremadamente bajas para poder adquirir la propiedad de superconducción.

Con el paso del tiempo la temperatura necesraia lograba ser aumentada pero aún no en forma significante hasta que cerca de 1993 el grupo de Chu en Texas trabajando en compuestos de mercurio sometidos a presiones mayores que 150 Kbar, lograron llegar a una Tc de 150 K. Sin embargo recientemente se ha logra conseguir una Tc de 132 K a presión ambiente. El compuesto superconductor es del Tipo 2.

Los superconductores tienen aplicaciones en casi cualquier area, las más destacadas son:

1. Los superconductores se pueden utilizar en el transporte levitado por electroimanes. Cuando se utilizan electroimanes para levitar un vehículo, por ejemplo trenes, para eliminar la fricción y alcanzar altas velocidades, los electroimanes pierden energía en calor. Utilizando superconductores, además de no perder energía en calor por su nula resistencia, el tamaño disminuiría notablemente.

'Superconductores'

The Yamanashi MLX01 MagLev train.

2. En el plano médico, los superconductores también aportan, en el biomagnetismo. La resonancia magnética ya existe, pero puede ser mejorada con un campo magnético más fuerte derivado de electroimanes superconductores. Además de esto, existen dispositivos llamados SQUIDs (Superconductor QUantum Interference Device), que pueden detectar un cambio en el campo magnético 100 billones de veces menor a la fuerza que mueve a una aguja en una brújula. Con esto, se pueden examinar profundidades del cuerpo sin necesidad de fuertes campos magnéticos.

3. Los superconductores se pueden utilizar en aceleradores de partículas de muy alta energía. Estos podrían acelerar las partículas a velocidades cercanas a la de la luz. Con electroimanes superconductores esto podría ser posible.

'Superconductores'

Cable superconductor

'Superconductores'
4. Otra aplicaación importante y posiblemente de grandes alcances lucrativos de los superconductores son los generadores. La eficiencia de generadores superconductores rebasaría un 99% y el tamaño sería alrededor de la mitad de los convencionales. Además, cables superconductores en vez de cobre, podrían aumentar la transmisión de energía en un cable, por lo que se mejoraría hasta en un 7000% la eficiencia con respecto al espacio utilizado.

Motor superconductor

5. En el area de computación tienen aplicaciones sorprendentes. Se pretende construir computadoras "petraflop", las cuales pueden realizar mil trillones de operaciones por segundo, mientras que la más avanzada tecnología en computadoras sólo puede realizar 12.3 trillones de operaciones por segundo. Para alcanzar estas veocidades, el tamaño del sistema sería del orden de alrededor de 50 nanometros y basados en el efecto Josephson, en vez del sistema de switch en microchips convencionales.

'Superconductores'

UCB microchip

6. Militarmente, los superconductores también tienen importantes aplicaciones. SQUIDs con superconductores de alta temperatura se han usado para detectar submarinos y minas. Además, se han utilizado reducidos, en tamaño, motores para barcos navales. La más grande aplicación militar de los superconductores está en las "E-bombs", las cuales podrían crear u fuerte campo magnético con superconductores que generarían un pulso electromagnético de gran intensidad que deshabilitaría cualquier equipo eléctrico enemigo.

'Superconductores'

'Superconductores'

CONCLUSIONES

Los superconductores son los conductores más raros , su característica principal es la ausencia total de resistividad eléctrica, por lo tanto son el elemento perfecto para transportar energía eléctrica puesto que no producen pérdidas por calor, el problema es que por el momento sólo se han encontrado materiales superconductores que funcionan a muy bajas temperaturas, y el coste es mucho más elevado que las pérdidas que se producen.

Los superconductores se quieren utilizar para construir trenes de levitación electromagnética y monorraíles, pero por el momento el elevado coste impide la progresión de esta tecnología de los superconductores.

El fenómeno de la superconductividad ya forma parte integrante de nuestras vidas. La resonancia magnética nuclear no habría podido desarrollarse sin su ayuda y constituye un auxiliar indispensable en la investigación científica y tecnológica. El que consiga o no convertirse en un producto de gran consumo depende exclusivamente de los resultados de la investigación sobre superconductores a temperatura ambiente. En cualquier caso, es evidente que estos materiales supondrán en un futuro inmediato un elemento sumamente importante en nuestra civilización: la era de las tecnologías mas allá de la resistencia eléctrica parece encontrarse, en estos momentos, a la vuelta de la esquina.

Podríamos comparar los 3 tipos de conductores como un río. En los materiales conductores hay un puente muy grande por el que los electrones pueden cruzar fácilmente.

En los materiales semiconductores, los electrones tienen un puente que se ensancha cuando hay mucho calor y se estrecha cuando hace frío, pero sea como sea el grosor del puente, solamente pueden viajar en un sentido.

Si un fotón o cuanto de luz incide sobre ellos puede darles a veces la energía necesaria para saltar el río sin necesidad de puente, los materiales dopantes del diodo semiconductor son como piedras en el río a través de las cuales los electrones también pueden cruzar lo. Más abajo explicaré esto del dopaje.

Finalmente en los superconductores no hay puente ni río ni nada, los electrones pueden vagar libremente por donde quieran sin que nadie ni nada se lo impidan, sólo hay un problema que siempre tiene que hacer mucho frío.

BIBLIOGRAFÍA

Microsoft encarta 2002, “superconductores”

http://www.tae.edu.mx/superconductores/

http://www.tae.edu.mx/superconductores/aplicaciones.html

http://www.jornada.unam.mx/1996/abr96/960429/chavira.html

http://homepages.mty.itesm.mx/al911330/

http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/064/htm/sec_11.htm

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